Könnten Diamanten verbesserte Qubits für Quantencomputing ermöglichen?

Verwendung von Diamant für Quantencomputing

Im Gegensatz zu normalen Computern, die Bits (0 & 1) verwenden, nutzen Quantencomputer „Qubits“. Qubits können dank zweier Quanten‑Eigenschaften gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren: Superposition und Verschränkung.

• Superposition ermöglicht es Qubits, gleichzeitig sowohl 0 als auch 1 darzustellen, wodurch die verarbeitbaren Daten im Vergleich zu klassischen Bits exponentiell steigen.
• Entanglement verknüpft Qubits so, dass der Zustand eines Qubits den eines anderen sofort beeinflussen kann, selbst über große Entfernungen hinweg.

Diese Eigenschaften ermöglichen es QPUs, hochkomplexe Probleme viel schneller als klassische Computer zu lösen, indem sie gleichzeitig mehrere Lösungen untersuchen.

„Der Vorteil von Qubits besteht darin, dass sie viel mehr Information speichern können als herkömmliche Bits. Das bedeutet, dass sie uns auch viel mehr Informationen über ihre Umgebung liefern können, was sie beispielsweise als Sensoren äußerst wertvoll macht.“

Alastair Stacey – Leitender Forschungsphysiker und Leiter der Abteilung für Quantenmaterialien und -geräte am PPPL.

Allerdings sind Qubits äußerst fragil, und ihre Eigenschaften zu messen ist keine leichte Aufgabe.

Was wäre, wenn wir stattdessen auf eines der härtesten Materialien der Erde – Diamant – setzen würden, um Aufgaben in unserem fortschrittlichsten Computer zu übernehmen? Das ist die Vision von Forschern der Princeton University, die kürzlich in Diamond And Related Materials unter dem Titel Quantenchemisches Modell von Oberflächenreaktionen und kinetisches Modell des Diamantwachstums: Auswirkungen von CH₃‑Radikalen und C₂H₂‑Molekülen bei Niedertemperatur‑CVD¹ veröffentlicht haben.

Dies schließt sich an die Arbeiten anderer Forscher der University of Melbourne und der Princeton University, veröffentlicht unter dem Titel Methoden zur Erhaltung von Farbzentrums‑Wasserstoff‑Terminierung von Diamant².

Diamanten nach Bedarf züchten

Diamanten, die historisch nur ein natürlicher Stein waren, werden heute meist aus Rohkohle hergestellt. Dieser Prozess erfordert jedoch sehr hohe Hitze und Druck, sodass er nicht mit anderen Materialien wie Silizium, das in Computerchips verwendet wird, kombiniert werden kann. Dafür wird eine Niedertemperatur‑Diamantproduktion benötigt.

Einige Verfahren wurden bereits untersucht, etwa die Verwendung von Acetylen und einer Technik namens „Plasma‑unterstützte chemische Gasphasenabscheidung“.

Quelle: PPPL

Das Problem dabei ist, dass es zwar mikroskopische Diamanten erzeugen kann, dabei jedoch viel Ruß absetzt, der sich auf dem Diamanten ansammeln und die Leistung von Optiken, Sensoren und Chips beeinträchtigen kann. Bisher war nicht klar, warum sich Ruß anstelle von Diamanten bildete.

Goldilocks‑Temperatur & Wasserstoff

Die Forscher stellten fest, dass es eine präzise Temperatur gibt, bei der der Prozess einen Diamanten erzeugt. Oberhalb dieser kritischen Temperatur trägt Acetylen hauptsächlich zum Diamantwachstum bei. Unterhalb dieser kritischen Temperatur trägt es hauptsächlich zum Rußwachstum bei.

Quelle: Diamond And Related Materials

Ein weiterer Faktor ist die Aktivität von Wasserstoffatomen in der Nähe der Diamantoberfläche. Bei mehr Wasserstoff an der Oberfläche können mehr Diamanten entstehen, selbst bei niedrigeren Temperaturen.

„Wasserstoffatome treiben das Diamantwachstum nicht direkt an, aber die Wasserstoff‑Dissoziation, also die Aufspaltung, ist entscheidend, um Methan in Acetylen umzuwandeln und atomaren Wasserstoff zur Diamantwachstumsoberfläche zu transportieren. Beides ist wichtig für das Diamantwachstum,“

Alexander Khrabry – Forschungsstipendiat der Princeton University

Zusammen öffnen diese Erkenntnisse zur Diamantbildung den Weg, mikroskopische Diamanten zuverlässig direkt in Silizium‑Halbleitern zu erzeugen, ohne das restliche Material durch hohe Temperaturen zu beschädigen oder unerwünschten Ruß zu erzeugen.

Quanten‑Diamanten

Einfache, ausschließlich aus Kohlenstoff gefertigte Diamanten könnten einige Anwendungen in Optik und Sensorik finden. Aber fortgeschrittenere Diamantformen könnten noch nützlicher sein.

Zum Beispiel entstehen Quanten‑Diamanten, wenn einige der Kohlenstoffatome, aus denen der Diamant besteht, durch andere Atome ersetzt werden, etwa durch Stickstoff, und einige andere Kohlenstoffatome einfach entfernt werden. Dadurch entsteht ein sogenanntes Stickstoff‑Fehlstelle (NV).

In einem solchen Diamanten beginnen die Elektronen, den Quantenregeln statt der klassischen Physik zu folgen, was zum Bau von Qubits genutzt werden könnte.

„Die Elektronen in diesem Material verhalten sich nicht nach den Gesetzen der klassischen Physik, wie schwerere Teilchen es tun. Stattdessen verhalten sie sich, wie alle Elektronen, nach den Gesetzen der Quantenphysik.“

Alastair Stacey – Leitender Forschungsphysiker und Leiter der Abteilung für Quantenmaterialien und -geräte am PPPL.

Perfektionierung des Diamant‑Kochbuchs

Bisher war die Methode, Plasma zur Diamanterzeugung zu nutzen, alles andere als präzise. Sie beruhte stark auf Versuch und Irrtum, da die Theorie darüber, was genau an der Diamantoberfläche geschieht, noch nicht gut verstanden ist.

Idealerweise könnte Plasma auch verwendet werden, um eine monatomare Wasserstoffschicht auf dem Diamanten zu erzeugen. Bei Quanten‑Diamanten würde jedoch die hohe Temperatur die Stickstoff‑Fehlstelle zerstören.

Daher entwickelten die Forscher ein aufwändiges Analysesystem (unter Verwendung von Photolumineszenz‑Spektroskopie), um zu beurteilen, was am besten funktioniert, um eine Wasserstoffschicht auf NV‑Diamanten zu erzeugen.

Quelle: Advanced Materials Interface

Sie fanden heraus, dass zwei neue Methoden eingesetzt werden könnten, wobei jede derzeit ihre eigenen Nachteile hat.

Quelle: Advanced Materials Interface

• Forming‑Gas‑Annealing, das ein Gemisch aus Wasserstoffmolekülen und Stickstoffgas verwendet, funktionierte, erforderte jedoch sehr reines Wasserstoffgas ohne Sauerstoff, was bei niedrigen Temperaturen schwer zu erreichen ist.
• Cold‑Plasma‑Termination, das indirekt Wasserstoffplasma nutzt, beschädigte die NV‑Zentren nicht und war einfacher umzusetzen, erzeugte jedoch eine minderwertigere Wasserstoffschicht auf dem Diamanten.

„Dies verdeutlicht den Kompromiss zwischen Oberflächenqualität und NV‑Eigenschaften, der in zukünftigen Anwendungen ausgeglichen werden muss. Beispielsweise ist es bei biomolekularen Sensorsystemen absolut entscheidend, dass NVs nahe an Oberflächen erhalten bleiben.“

Daniel McCloskey – Forscher an der University of Melbourne.

Insgesamt eröffnen diese Entdeckungen den Weg zu einigen neuen, bisher schwer oder unmöglich umzusetzenden Anwendungen für Diamanten:

• Direkte Herstellung auf Silizium‑Halbleitern, wobei Diamanten direkt in Schaltungen, Sensoren und Transistoren integriert werden.
• Herstellung von Quanten‑Diamanten zu funktionalen Qubits, einschließlich einer fein abgestimmten Wasserstoffschicht auf der Diamantoberfläche.

Neue Quantencomputer

Bisher wurden Quantencomputer mit bekannten Verfahren gebaut, die aus den traditionellen Fertigungstechniken der Halbleiterindustrie stammen. Da die Quantentechnologie jedoch so stark von der normalen Berechnung abweicht, ist es sinnvoll, dass neue Materialien besser geeignet sind als herkömmliches Silizium.

Dies kann Diamanten umfassen, die eines Tages das Quantencomputing bei Raumtemperatur ermöglichen könnten – etwas, das nicht nur die Kosten drastisch senken, sondern auch die Erstellung größerer Quantencomputer erleichtern würde.

„Die Entwicklung eines Quantensimulators mit mehr als 50 Qubits und eines Quantencomputers bei Raumtemperatur eröffnet die Möglichkeit, die Anzahl der Qubits auf höhere Werte wie 100 oder 1000 zu skalieren, was ein Wendepunkt für Bereiche wie Kryptographie, KI und Materialwissenschaften wäre.“

„Diese Fähigkeit würde es Wissenschaftlern ermöglichen, lebensrettende Medikamente schneller zu entdecken, schwierige Optimierungsprobleme zu lösen oder energieeffiziente Technologien effizienter zu entwickeln.“

Martin Koppenhöfer – Projektkoordinator bei SPINUS

Neben Diamanten könnten auch andere neue innovative Materialien, wie beispielsweise piezoelektrische nanomechanische Resonatoren aus Aluminium‑nitrat, für Quantensensoren oder Quanten‑Transducer eingesetzt werden.

Insgesamt ist es wahrscheinlich, dass fortschrittliche neue Materialien eine solide Alternative zu Silizium darstellen und das Potenzial des Quantencomputings weitaus weiter vorantreiben werden, als wir heute vermuten können.

In Quantencomputing investieren

Quantencomputing steckt noch in den Anfängen, hat jedoch bereits die Aufmerksamkeit jedes großen Computerunternehmens auf sich gezogen, das bisher die Silizium‑Revolution vorangetrieben hat.

Es könnte für immer auf Nischenanwendungen beschränkt bleiben und nicht in unseren Computern eingesetzt werden, könnte jedoch dennoch eine entscheidende Rolle bei der Modellierung von Physik, Biologie, Materialwissenschaften, Kryptographie und militärischen Anwendungen spielen.

Sie können in Quantencomputing‑Unternehmen über zahlreiche Broker investieren, und hier auf securities.io finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich sowie vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Unternehmen auszuwählen, können Sie auch in ETFs wie den ProShares Nanotechnology ETF (TINY) oder den WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) investieren, die eine breitere Diversifizierung ermöglichen, um vom Quantencomputing‑ und Nanotech‑Aktienmarkt zu profitieren.

Oder Sie können unsere Liste der „Top 10 Nanotechnologie‑Aktien“ und „5 besten Quantencomputing‑Unternehmen“ ansehen.

Quantencomputing‑Unternehmen

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) war die treibende Kraft hinter der Kommerzialisierung des ersten Mainframe‑Computers.

In letzter Zeit ist es jedoch beim Produktionsvolumen hinter anderen Technologieriesen wie Apple (AAPL ), TSMC (TSM ) und NVIDIA (NVDA ) zurückgefallen.

Dennoch steht es an vorderster Front der Entwicklung von Quantencomputern. Beispielsweise entwickelte es den 127‑Qubit‑„Eagle“-Quantencomputer, dem ein 433‑Qubit‑System namens „Osprey“ folgte.

Und nun folgt „Condor“, ein 1.121‑Qubit‑Supraleiter‑Quantenprozessor, der auf der Cross‑Resonance‑Gate‑Technologie basiert, zusammen mit „Heron“, einem Quantenprozessor, der an der Spitze des Feldes steht.

Quantencomputer könnten von einer verbesserten magnetischen Steuerung profitieren, die die Stabilität und Zuverlässigkeit von Qubits erhöht – beides entscheidend für die Rechenleistung.

Ähnlich könnten Fortschritte bei Supraleitern, die auf kontrollierten Magnetfeldern basieren, zu effizienteren Energieübertragungen und Kühlsystemen führen, insbesondere bei höheren Temperaturen.

IBM ist an den meisten anderen bahnbrechenden Innovationen im Bereich Computing und Halbleiterindustrie beteiligt. Dazu gehören leitende organische Materialien, neuromorphes Computing, Photoniken usw.

In gewissem Maße ist IBM zu einem „Patentunternehmen“ geworden, das über Fachwissen in der Entwicklung neuer Rechenmethoden verfügt und diese an die Industrie lizenziert.

Bisher scheint IBM sehr entschlossen, so viele Schlüsselpatente wie möglich in allen nicht‑Silizium‑Computing‑Methoden zu besitzen, was den früheren Erfolg widerspiegelt, als das Unternehmen maßgeblich zur Entwicklung der Halbleiterindustrie beitrug und sie zu dem Giganten machte, der es heute ist.

Studienreferenz:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Quantenchemisches Modell von Oberflächenreaktionen und kinetisches Modell des Diamantwachstums: Auswirkungen von CH₃‑Radikalen und C₂H₂‑Molekülen bei Niedertemperatur‑CVD. Diamond and Related Materials, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., Stacey, A., de Leon, N. P., & Kaganovich, I. D. (2024). Methoden zur Erhaltung von Farbzentrums‑Wasserstoff‑Terminierung von Diamant. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}