Vejen til 6G kan blive lagt med Graphene

Fremtiden for trådløs kommunikationsteknologi udvikler sig hurtigt. Det var først i 2019, at globale operatører begyndte at lancere 5G. Mens 5G stadig er i gang med global implementering, er 6G allerede begyndt at blive udviklet. 

6G er den sjette generation af trådløs teknologi. Den første generation, 1G, kom i 1980’erne og leverede analog tale. Derefter blev 2G introduceret i begyndelsen af 1990’erne, hvilket bragte digital tale og forbedrede ikke kun talekvaliteten, men også batterilevetiden og netværkssikkerheden.

Dette blev efterfulgt af 3G i begyndelsen af 2000’erne, som bragte mobildata og åbnede nye muligheder, såsom videoopkald og understøttelse af multimediebeskeder. Den fjerde generation, 4G, i 2010’erne indledte æraen med mobil bredbånd med reduceret latenstid og højere hastighedsbåndbredde. Imens øgede 5G hastigheden yderligere og understøtter applikationer som augmented reality (AR) og autonom kørsel.

Så hver ny generation af trådløs kommunikationsteknologi har medført nye kapaciteter, og det gælder også for 6G. 

Ved at fortsætte trenden med innovation og forbedringer i trådløs kommunikation vil 6G bringe os øget båndbredde og hastighed, ekstremt lav latenstid og pålidelighed. Med denne teknologi er målet at levere en virkelig allestedsnærværende trådløs intelligens og kommunikation.

Den nye teknologi vil bruge de samme byggesten som tidligere netværk, såsom basestationer, routere, antenner osv., men det, der vil gøre den anderledes, er brugen af nye teknologier til yderligere at fremme trådløse kommunikationsmuligheder. 

Det betyder, at 6G vil bygge videre på 5G for yderligere at perfektionere de forbedringer, som den nuværende teknologi har bragt til netværksforbindelse for slutbrugeren. 

Ud over at levere højhastighedsforbindelse med forudsigeligt lav latenstid, forventes 6G‑netværket at håndtere den eksponentielt voksende trafikefterspørgsel på en omkostningseffektiv måde. Det kan også endelig opnå fuld global dækning, så alle får adgang. Dog vil understøttelse af så mange enheder kræve bæredygtige omkostninger for både tjenesteudbydere og forbrugere. 

Det er dog ikke nok. Ud over disse forbedringer og verdensomspændende dækning ved at forbinde fjerntliggende områder, skal teknologiske fremskridt også tilbyde modstand mod bevidste ondsindede angreb på infrastruktur og robusthed mod naturkatastrofer og lokale forstyrrelser.

Alle disse fremskridt i 6G‑teknologien vil hjælpe os med præcis sundhedspleje, smart landbrug, smarte byer, digitale tvillinger, rumkommunikation og robotnavigation. Det vil yderligere muliggøre realtidsdatabehandling og analyse i netværkets kant samt den problemfri integration af milliarder af forbundne enheder i hverdagen. Implementeringen af 6G forventes også at bidrage til miljøvenlige innovationer for at minimere miljøpåvirkningen og fremme bæredygtig udvikling.

Selvom 6G lover en højt avanceret fremtid, står den over for flere udfordringer, herunder omkostninger og sikkerhed. For at få denne teknologi op at køre, ville vi have brug for en ny infrastruktur i stor skala, hvilket er dyrt at bygge. Desuden vil open‑source‑teknologi, virtuelle netværk og IoT øge sårbarheden over for sikkerhedsbrud.

Her udforskes kvantekryptering, blockchain og AI’s forudsigende evner som mulige sikkerhedsløsninger, mens virtualisering af mange fysiske komponenter forventes at hjælpe med omkostningerne.

Når det gælder den globale markedstørrelse for denne teknologi, forventes den at være værd $40,5 milliarder i 2032, drevet af efterspørgslen efter hyper‑forbindelse, fordelene ved lav latenstid og høje datahastigheder, løftet om næste generations applikationer, udnyttelsen af terahertz‑frekvenser og AI, samt potentialet til at bygge bro over den digitale kløft.

6G‑teknologien forventes at begynde sin udrulning ved udgangen af dette årti. Indtil videre er den stadig i sine tidlige forskningsstadier.

Forbedring af trådløs kommunikation med kvantemateriale

Med et stigende fokus på dramatisk forbedring af trådløs kommunikationsteknologi globalt, undersøger forskere forskellige måder at låse op for hurtigere, mere effektive teknologier inden for trådløs kommunikation.

Et forskerteam har nu fundet måder at forstærke frekvensomdannelsen af terahertz (THz)‑bølger i strukturer baseret på graphene. 

Terahertz (THz)‑trådløse kommunikationssystemer har fået stor opmærksomhed på grund af jagten på stadigt stigende båndbredder og frekvenser i THz‑spektrummet, især brede båndbredder.

Mens megahertz‑båndbredde er tilstrækkelig til nuværende applikationer, vil fremtidige netværkskommunikationsscenarier kræve båndbredder i flere gigahertz (GHz) for at fungere godt. Da THz‑bølger er højfrekvente med ekstremt korte bølgelængder, kan de overføre data hurtigere.

Terahertz (THz) er en frekvensenhed, der måler elektromagnetiske bølger i området 0,1‑10 THz. Disse bølger, som er ikke‑invasive og sikre for mennesker, dyr og planter, befinder sig mellem infrarød og millimetrebølger i det elektromagnetiske (EM) spektrum.

Dette betyder at THz‑bølger kan udnyttes til ikke‑invasiv billeddannelse gennem ugennemsigtige materialer til kvalitetskontrol og sikkerhedsapplikationer.

Dets ekstremt store båndbreddepotentiale muliggør yderligere ultrahøje datahastigheder og, naturligvis, kapaciteter, der ligger ud over 5G. Dog absorberes denne lovende teknologi let af atmosfæriske komponenter som luft og vanddamp, hvilket reducerer signalstyrken over afstand. 

Når det gælder THz‑bølgers potentiale for trådløs kommunikation, er der gjort fremskridt inden for THz‑nonlineær optik. Nonlineær optik involverer studiet af lysets interaktion med materialer for at skabe unikke fænomener, herunder generering af optiske harmoniske.

Efterhånden som THz‑teknologierne udvikler sig, har forskere fra University of Ottawa udviklet en metode til at bygge enheder, der kan opkonvertere elektromagnetiske signaler til højere oscillerende frekvenser. Dette kan effektivt indsnævre kløften mellem GHz‑elektronik og THz‑fotonic.

Resultaterne af den seneste undersøgelse, publiceret i Nature¹ viste holdets innovative strategier til at forbedre THz‑nonlineariteter i enheder baseret på graphene.

Ifølge Jean‑Michel Ménard, lektor i fysik fra Faculty of Science, som samarbejdede om projektet:

“[Dette] markerer et betydeligt skridt fremad i forbedringen af effektiviteten af THz‑frekvensomformere, et kritisk aspekt for multispektrale THz‑applikationer og især fremtiden for kommunikationssystemer, som 6G.”

Ved at anvende metoden demonstreret i den nye forskning kan de unikke optiske egenskaber ved graphene også udnyttes.

Udvundet fra grafit, består graphene af ren kulstof, som er et af de vigtigste grundstoffer i naturen. Dette fremspirende kvantemateriale er faktisk lavet af et enkelt lag kulstofatomer og er kendt for at være stærkt, let og fleksibelt. 

Dette 2D‑materiale er også kendt for sin modstand og høje termiske og elektriske ledningsevne. Endnu vigtigere har graphene bemærkelsesværdige optiske egenskaber. Disse inkluderer høj gennemsigtighed i det synlige spektralområde, som afhænger af dets båndstruktur, justerbar infrarød optisk absorptionsgrad og fotorespons op til THz‑frekvensområdet.

Alle disse fantastiske egenskaber gør graphene til et værdifuldt materiale inden for energi, byggeri, sundhed og elektroniksektorerne. Især gør dets store optiske ikke‑linearitet, sammen med dets lette integration i enheder, graphene til en ideel kandidat for at blive en nøglekomponent i all‑optisk switching og frekvensomformningsteknologier til signalbehandling og trådløse kommunikationsapplikationer.

Tidligere studier, der kombinerede THz‑lys og graphene, fokuserede hovedsageligt på grundlæggende lys‑materie‑interaktioner. At kun vurdere effekten af én enkelt parameter har relativt svage ikke‑lineære effekter.

Så den seneste forskning kombinerede i stedet flere innovative tilgange for at forbedre disse ikke‑lineære effekter og samtidig udnytte graphene’s unikke egenskaber fuldt ud.

For at booste THz‑nonlineariteter i graphene‑baserede strukturer øgede holdet interaktionslængden ved hjælp af et lagdelt design, kontrollerede bærer‑densiteten med en elektrisk gate og modulerede THz‑feltets rumlige fordeling med et metallisk metasurface‑substrat. 

Det nye eksperiment, sammen med dets enhedsarkitekturer, bemærkede Ali Maleki, PhD‑studerende i Ultrafast THz‑gruppen ved uOttawa, at de “giver mulighed for at udforske et enormt udvalg af materialer ud over graphene og potentielt identificere nye ikke‑lineære optiske mekanismer.” 

Holdet rapporterede tredjepolsharmonisk generering (THG)‑forstærkningsfaktorer, der overstiger tredive, og foreslog arkitekturer, som er dygtige til at opnå en forøgelse på to størrelsesordener. 

Maleki, som indsamlede og analyserede studiets resultater, mener, at forskningen er afgørende for at forfine THz‑frekvensomformningsteknikker. Udviklingen vil ifølge ham på sigt også hjælpe med at integrere denne teknologi i virkelige applikationer, “især for at muliggøre effektive, chip‑integrerede ikke‑lineære THz‑signalkonvertere, som vil drive fremtidige kommunikationssystemer.”

Store aktører inden for 6G

Kapløbet om at dominere 6G‑udviklingen har alle fra Kina og USA til Sydkorea, Europa og Indien, der implementerer avancerede planer. 

Virksomheder samarbejder også for at accelerere deres udvikling. Samsung Electronics har indgået partnerskab med Japans største mobiloperatør, NTT Docomo, for at “fremskynde AI‑drevet innovation i telekommunikationsbranchen,” hvilket også vil realisere fremtidige kommunikationer som 6G. SoftBank Corp har underskrevet en MoU med Nokia for udviklingen af et kommunikationssystem, der udnytter AI til 6G‑teknologi. Imens udvider Apple (AAPL ) sit team for at dykke dybere ned i 6G‑området.

Så mens alle er ombord på 6G‑toget, lad os se på et par store børsnoterede virksomheder, der står til at drage stor fordel af fremskridtet.

1. Qualcomm Inc.

Denne halvledergigant er allerede involveret i leveringen af 5G‑modemer og fortsætter med at investere i at opretholde sin førende position. Qualcomm (QCOM ) leverer regelmæssigt sin vision for 6G og har arbejdet på avancerede halvlederløsninger og trådløse standarder for at drive infrastrukturen og enhederne til den.

I sidste måned bemærkede at 6G er positioneret til at imødekomme udfordringerne med udvidet spektrums‑tilgængelighed og større effektivitet i brugen. Det har også til formål at åbne muligheder på tværs af lave, midter‑ og høje spektrumbånd, hvor det vil øge dækning og kapacitet samt muliggøre høj‑præstationsapplikationer som generativ AI og immersiv XR.

Qualcomms mål er at drive innovationer, der baner vejen for et nyt spektrum, mens de forbedrer den operationelle effektivitet i eksisterende bånd. 

For at forberede sig på den kommende 6G‑æra har Qualcomm arbejdet med spektrums‑regulatorer, mobiloperatører, OEM‑er og akademia. Specifikt har de gjort den øvre mid‑band (7 GHz til 16 GHz‑området) klar til 6G.

Den såkaldte ‘Giga‑MIMO’‑teknologi kommer med en meget tættere antenne‑array i basestationen og et mere komplekst enheds‑baseband‑ og radiofrekvens‑(RF)‑design. Qualcomm introducerede også sit udvidede 5G‑mmWave‑testnetværk, som også vil fungere som en grundlæggende muliggjører for integreret kommunikation og sensing.

6G vil yderligere bygge på luft‑interface‑fundamentet og integreret terrestrisk/ikke‑terrestrisk netværk (TN/NTN), sagde John Smee, Global Head of Wireless Research hos Qualcomm, i et interview. Med hensyn til overgangen fra 5G til 6G forventer han, at den vil forbedre trådløs forbindelse betydeligt, samtidig med at den muliggør nye tjenester som AI, sensing og digitale tvillinger. 

Når det gælder AI specifikt, bemærkede Smee, at den vil forbedre både 5G‑ og 6G‑systemernes ydeevne, drifts­effektivitet og brugeroplevelser, samtidig med at den åbner nye brugsscenarier i stor skala. Det AI‑native paradigme kan ifølge ham bringe mere innovation til enheder og netværk.

Nu, når det kommer til Qualcomms økonomi, har det $190,24 milliarder store markedsværdi‑selskabs aktier, som på tidspunktet for skrivning handles til $174. Aktierne er steget 12,04 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er 8,95, og P/E‑forholdet (TTM) er 19,24. Den betaler også en udbytte‑afkast på 1,98 %. 

For det seneste rapporterede kvartal, som sluttede i september 2024, havde virksomheden en non‑GAAP‑omsætning på $10,2 milliarder, mens non‑GAAP‑indtjening pr. aktie var $2,69, med år‑over‑år vækst i EPS på over 30 %. Qualcomm betalte også $2,2 milliarder i aktionær‑afkast, herunder $1,3 milliarder i aktietilbagekøb og $947 millioner i udbytte. Fri cash‑flow for regnskabsåret 2024 blev rapporteret til $11,2 milliarder.

Virksomheden har også gjort betydelige fremskridt i sin diversificeringsstrategi, som har gjort det muligt at producere chips til pc’er, biler og maskiner.

“Vi vil fortsætte med at transformere Qualcomm fra en trådløs kommunikationsvirksomhed til en forbundet computervirksomhed for AI‑alderen.”

– CEO Cristiano Amon på det tidspunkt

2. Verizon Communications 

I 2020 sagde CTO’en for denne telekommunikationsudbyder at han “ikke ved, hvad helvede 6G er,” og deres fokus forbliver på at forbedre 5G. Virksomheden har dog bemærkelsesværdigt sluttet sig til andre trådløse brancheledere for at danne Next G Alliance.

Verizon, sammen med Qualcomm, Samsung, AT&T (T ), Apple, Google, Ericsson (ERIC ), Microsoft (MSFT ), Nokia, Facebook, Bell Canada, Ciena, InterDigital (IDCC ), JMA Wireless, TELUS, Telnyx, T‑Mobile og US Cellular, har samlet sig for at danne Alliancen. Alliancen har til formål at udvikle en national 6G‑køreplan, afstemme interessent‑prioriteter for regerings‑politikker og finansiering samt identificere strategier for at accelerere adoptionen af 6G‑teknologi på tværs af sektorer.

Når det gælder Verizons økonomi, har det $166,45 milliarder store markedsværdi‑selskabs aktier, som på tidspunktet for skrivning handles til $40,10. Aktierne er faldet 1,13 % år‑til‑dato. Dens EPS (TTM) er 4,15, og P/E‑forholdet (TTM) er 9,54. Verizon betaler et udbytte‑afkast på så højt som 6,85 %.

For Q4 2024 rapporterede hvad de kalder “branchens førende” trådløse service‑omsætning på $20 milliarder. Den samlede driftsomsætning var $35,7 milliarder, og det konsoliderede nettoresultat var $5,1 milliarder. Virksomhedens samlede usikrede gæld var $117,9 milliarder. 

Q4 var faktisk det bedste kvartal for Verizon i fem år med hensyn til vækst i trådløse abonnenter, drevet af tilpasselige myPlan‑tilbud og Black‑Friday‑tilbud. Virksomheden tilføjede også næsten 1 million postpaid‑mobil‑ og bredbåndsabonnenter, det bedste kvartalsresultat i over et årti. Dens faste trådløse abonnenter lå på næsten 4,6 millioner. Virksomheden har også lanceret Verizon AI Connect, som udnytter AI‑bølgen ved at give virksomheder mulighed for at håndtere deres AI‑arbejdsbelastninger i stor skala.

Konklusion

Efter at have fokuseret på menneske‑til‑menneske‑kommunikation i tidligere generationer af teknologi og derefter skabt et grundlæggende skift i dataforbrug, er fokus nu på at forbinde IoT‑ og automatiseringssystemer. Men med 6G vil den menneskelige og digitale verden blive smidigt sammenflettet for forbedrede oplevelser.

Teknologiske fremskridt, stigende digitalisering, avancerede anvendelsestilfælde og levering af ekstrem ydeevne vil drive 6G‑markedet fremad. Med sine ultrahurtige hastigheder, lave latenstid og globale forbindelse vil 6G‑teknologien drive den nye fremtid gennem selvkørende biler, smarte byer og virtuel virkelighed. 

Denne nye generation af trådløs teknologi forventes at forme økonomi og samfund, når den lanceres i begyndelsen af 2030‑erne. Der er dog barrierer i form af høje startomkostninger, begrænset spektrums‑tilgængelighed og standardiseringsudfordringer, som først skal overvindes.

Forskning, som den der diskuteres her, spiller en afgørende rolle i at gøre denne teknologi til virkelighed. Den demonstrerer værdien af graphene for at muliggøre terahertz (THz)‑frekvenskommunikation, som er nøglen til 6G’s fremtidige kapaciteter. Så med igangværende forskning, regeringer, der introducerer initiativer, og virksomheder, der samarbejder, er vi allerede begyndt at gøre fremskridt mod den sjette generation af trådløs teknologi, som lover en mere forbundet og innovativ fremtid!

Rengøring af graphene er nøglen til kommercialisering.

Studierreference:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}