Kan diamanter låse op for forbedrede qubits til kvantecomputing?

Brug af diamant til kvantecomputing

Almindelige computere bruger bits, der repræsenterer 0 eller 1. Kvantecomputere bruger qubits og udnytter blandt andet to kvantemekaniske egenskaber: superposition og sammenfiltring.

• Superposition betyder, at en qubit kan beskrives som en kombination af tilstandene 0 og 1. En måling giver ét resultat; man kan derfor ikke aflæse alle mulige svar på én gang.
• Sammenfiltring giver sammenhænge mellem måleresultater fra flere qubits, som ikke kan forklares med en klassisk beskrivelse. Det gør det ikke muligt at sende information hurtigere end lyset.

Disse egenskaber indgår i kvanteprocessorer. Med passende algoritmer kan de give fordele ved bestemte opgaver, men ikke en generel hastighedsfordel ved enhver beregning.

Alastair Stacey fremhæver, at kvantetilstandes følsomhed over for omgivelserne også kan udnyttes i præcise sensorer.

Alastair Stacey — ledende forskningsfysiker og ansvarlig for kvantematerialer og -enheder ved PPPL.

Qubits påvirkes let af deres omgivelser. Det er derfor vanskeligt at styre dem og aflæse deres tilstand pålideligt.

Diamant er et muligt materiale til sådanne kvanteenheder. Forskere ved Princeton Plasma Physics Laboratory og Princeton University undersøgte diamantvækst ved lavere temperaturer i Diamond & Related Materials under titlen »Kvantekemisk model for overfladereaktioner og kinetisk model for diamantvækst: virkninger af CH₃-radikaler og C₂H₂-molekyler ved CVD ved lave temperaturer¹«.

Et særskilt studie med deltagere fra PPPL, Princeton og australske forskningsmiljøer omhandler overfladebehandling af diamant. Det har titlen »Metoder til hydrogenterminering af diamant, som bevarer farvecentre«.

Kontrolleret fremstilling af diamant

Syntetisk diamant kan fremstilles med både højtryksmetoder og kemisk dampaflejring, CVD. Ikke alle metoder kræver højt tryk. Ved integration med siliciumkomponenter er det vigtigt at begrænse procesvarmen, så eksisterende strukturer ikke beskadiges.

Forskerne undersøgte blandt andet acetylens rolle i plasmaforstærket kemisk dampaflejring.

Kilde: PPPL

Acetylen kan bidrage til både diamantvækst og dannelse af sod. Uønskede kulstofaflejringer kan påvirke optiske og elektroniske egenskaber.

Temperaturens og brintens betydning

Modellen viser en temperaturafhængig overgang mellem betingelser, hvor acetylen især bidrager til diamant, og betingelser, hvor sod favoriseres. Overgangen afhænger af sammensætningen nær overfladen.

Kilde: Diamond & Related Materials

Mængden af atomart brint ved overfladen indgår også i vækstprocessen og kan under passende forhold fremme diamantvækst ved lavere temperaturer.

Alexander Khrabry forklarer, at brintens dissociation og transporten af atomart brint til overfladen er vigtige dele af vækstprocessen.

Alexander Khrabry — forsker ved Princeton University.

Resultaterne kan hjælpe udviklingen af processer, der passer bedre til siliciumbaseret mikroelektronik. De dokumenterer ikke, at fejlfri industriel integration allerede er løst.

Kvantediamanter

Diamant har interessante egenskaber til blandt andet varmeledning, optik og sensorer. Visse kvanteanvendelser udnytter kontrollerede defekter i krystallen.

Et nitrogen-vakance-center, NV-center, består af et nitrogenatom på en kulstofplads ved siden af en tom plads i diamantens krystalgitter.

Elektronspinnet ved et NV-center kan styres og aflæses, så defekten kan bruges som qubit eller sensor. Kvantemekanik gælder også elektroner i almindelige materialer.

Stacey understreger, at elektronerne i diamant, ligesom alle andre elektroner, følger kvantemekanikkens love.

Alastair Stacey — ledende forskningsfysiker ved PPPL.

Bedre kontrol med diamantoverfladen

Samspillet mellem plasma og diamantoverflader er komplekst. Mere detaljerede modeller og målinger kan mindske behovet for alene at optimere processerne ved forsøg og fejl.

En overflade termineret med brint kan være nyttig til elektronik og sensorer. Traditionel behandling med varmt brintplasma kan imidlertid reducere fluorescensen fra NV-centrene irreversibelt.

Forskerne brugte blandt andet fotoluminescensspektroskopi til at undersøge NV-centrenes egenskaber efter forskellige behandlinger.

Kilde: Advanced Materials Interfaces

To alternative metoder bevarede fluorescensen bedre, men med forskellige afvejninger mellem overfladekvalitet og procesbetingelser.

Kilde: Advanced Materials Interfaces

• Udglødning i formgasbruger en blanding af nitrogen og brint. Overfladens iltindhold og gasblandingens renhed påvirker resultatet; metoden kræver ikke ren brint alene.
• Terminering med koldt plasmabruger brintplasma uden bevidst opvarmning af prøveholderen. Metoden bevarede NV-fluorescensen, men overfladekvaliteten var ringere end ved den traditionelle opvarmede behandling.

Daniel McCloskey fremhæver, at bevarelse af NV-centre tæt ved overfladen er særlig vigtig ved biomolekylær sensing.

Daniel McCloskey —forsker ved University of Melbourne. 

Arbejdet støtter især to videre forskningsretninger:

• Udvikling af diamantvækst ved temperaturer, der er forenelige med siliciumbaseret fremstilling.
• Kontrol af diamantoverfladens kemi, samtidig med at NV-centrenes nyttige egenskaber bevares.

Nye kvantecomputere

Kvantecomputere bygger på flere forskellige platforme, herunder superledende kredsløb, ioner, neutrale atomer, fotoner og spindefekter. De er ikke alle direkte afledt af almindelig siliciumproduktion.

Diamantbaserede spindefekter undersøges blandt andet, fordi de kan fungere ved stuetemperatur. Det fjerner ikke i sig selv udfordringerne ved fejlkorrektion, styring og opskalering.

SPINUS-projektet arbejdede mod demonstration af kvantesimulatorer med over 50 kvanteenheder og kvantecomputere med over 10 qubits. Større systemer var efterfølgende mål, ikke allerede opnåede resultater.

På længere sigt kan sådanne platforme være relevante for udvalgte simulations- og optimeringsopgaver. Praktiske fordele afhænger af både hardware og algoritmer.

Martin Koppenhöfer – projektkoordinator for SPINUS.

Andre materialer og komponenttyper undersøges også. For eksempel kan piezoelektriske nanomekaniske resonatorer af aluminiumnitrid anvendes i forskning i kvantesensorer og kvantetransducere.

Nye materialer udvider mulighederne, men deres egnethed skal vurderes for hver anvendelse. Diamant vil ikke nødvendigvis erstatte silicium overalt.

Investering i kvantecomputing

Kvantecomputing er under udvikling og tiltrækker både store teknologiselskaber og specialiserede virksomheder.

Teknologien kan blive et supplement til klassiske computere ved bestemte opgaver inden for fysik, kemi og andre områder. Den praktiske anvendelighed er fortsat under udvikling.

Oplysninger om børsmæglere findes her på securities.io. Vi har blandt andet sammenligninger for USA, Canada, Australien, Storbritannien, og flere andre lande.

Tematiske ETF’er kan være et alternativ til at vælge enkelte selskaber. Eksempler er ProShares Nanotechnology ETF (TINY) og WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD). Disse fonde fokuserer på nanoteknologi eller cloudsoftware og giver ikke nødvendigvis en direkte eller ren eksponering mod kvantecomputing.

Se også vores oversigter »10 aktier inden for nanoteknologi« og »Fem selskaber inden for kvantecomputing«.

Selskaber inden for kvantecomputing

IBM (IBM ) spillede en central rolle i udbredelsen af kommercielle mainframecomputere.

Apple (AAPL ), TSMC (TSM ) og NVIDIA (NVDA ) har andre forretningsmodeller end IBM. Produktionsmængde er derfor ikke i sig selv et retvisende mål for deres indbyrdes teknologiske position.

IBM er en af udviklerne af kvantecomputere. Selskabet præsenterede blandt andet processorerne Eagle med 127 qubits og Osprey med 433.

Derefter fulgte blandt andet Condor med 1.121 superledende qubits og den særskilte Heron-serie. Antallet af fysiske qubits alene afgør ikke en processors fejlrate eller nyttige beregningskapacitet.

Præcis styring og stabile kvantetilstande er vigtige for pålidelige beregninger. Kravene afhænger af den valgte qubitplatform.

Superledende kvanteprocessorer kræver meget lave temperaturer. Diamantstudierne her dokumenterer ikke en løsning på IBMs kølebehov eller nye højtemperatursuperledere.

IBM forsker også i andre materialer og beregningsteknologier, blandt andet elektrisk ledende organiske materialer, neuromorf computing, fotonikog andre områder.

Selskabet arbejder med forskning, produkter, tjenester og licensering af intellektuel ejendom. Det er derfor misvisende blot at beskrive IBM som et patentselskab.

En bred forskningsportefølje garanterer hverken fremtidigt monopol eller økonomisk afkast.

Forskningsreferencer:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Kvantekemisk model for overfladereaktioner og kinetisk model for diamantvækst: virkninger af CH₃-radikaler og C₂H₂-molekyler ved CVD ved lave temperaturer. Diamond and Related Materials, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., Roberts, D., Rodgers, L. V. H., et al. (2024). Metoder til hydrogenterminering af diamant, som bevarer farvecentre. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 2400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}