Μπορούν τα Διαμάντια να Αποκτήσουν Βελτιωμένα Qubit για την Κβαντική Υπολογιστική;

Χρήση Διαμαντιού για την Κβαντική Υπολογιστική

Contrary to normal computers using bits (0 & 1), quantum computers use “qubits”. Qubits can exist in multiple states simultaneously thanks to two quantum properties: υπέρθεση and εμπλοκή.

• Υπέρθεση allows qubits to represent both 0 and 1 at the same time, exponentially increasing the data that can be processed compared to classical bits.
• Εμπλοκή links qubits in such a way that the state of one qubit can instantaneously affect another, even across great distances.

Αυτές οι ιδιότητες επιτρέπουν στα QPUs να λύσουν εξαιρετικά πολύπλοκα προβλήματα πολύ πιο γρήγορα από τους κλασικούς υπολογιστές εξερευνώντας πολλαπλές λύσεις ταυτόχρονα.

“The advantage of qubits is that they can hold much more information than regular bits can. This means that they can also give us much more information about their environment, making them extremely valuable as sensors, for example.”

Alastair Stacey- Διευθυντής κύριος ερευνητής φυσικός και επικεφαλής των κβαντικών υλικών και συσκευών στο PPPL.

Ωστόσο, τα qubits είναι εξαιρετικά ευαίσθητα, και η μέτρηση των ιδιοτήτων τους δεν είναι εύκολη εργασία.

Τι θα γινόταν αν αντ’ αυτού βασιστούμε σε ένα από τα πιο σκληρά υλικά στη γη – το διαμάντι – για να εκτελεί εργασίες στον πιο προηγμένο υπολογιστή μας; Αυτή είναι η όραση των ερευνητών του Πανεπιστημίου Princeton, που δημοσίευσαν πρόσφατα στο Diamond And Related Materials, με τίτλο “Μοντέλο κβαντικής χημείας των επιφανειακών αντιδράσεων και κινητικό μοντέλο ανάπτυξης διαμαντιού: Επιρροές των ριζικών CH₃ και των μορίων C₂H₂ σε χαμηλές θερμοκρασίες CVD¹”.

Αυτό ενώνει τα έργα άλλων ερευνητών του Πανεπιστημίου Μελβούρνης και του Πανεπιστημίου Princeton, που δημοσιεύτηκαν με τίτλο “Μέθοδοι διατήρησης κέντρου χρώματος με υδρογόνο-τερματισμό του διαμαντιού”.

Κατασκευή Διαμαντιών Κατόπιν Αίτησης

Τα διαμάντια, ιστορικά μόνο φυσικός λίθος, σήμερα κατασκευάζονται κυρίως από ακατέργαστο άνθρακα. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία απαιτεί πολύ υψηλή θερμότητα και πίεση, γι’ αυτό δεν μπορεί να συνδυαστεί με άλλα υλικά όπως το πυρίτιο που χρησιμοποιείται στα τσιπ υπολογιστών. Για αυτό απαιτείται παραγωγή διαμαντιού σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Ορισμένες μέθοδοι έχουν ήδη διερευνηθεί, όπως η χρήση ακετυλενίου και μια τεχνική που ονομάζεται “πλασματικά ενισχυμένη χημική απόθεση αερίου”.

Πηγή: PPPL

Το πρόβλημα είναι ότι ενώ μπορεί να παράγει μικροσκοπικά διαμάντια, επίσης αποθέτει πολύ καπνό, ο οποίος μπορεί να σχηματιστεί πάνω στο διαμάντι και να μειώσει την απόδοση για οπτικά, αισθητήρες και τσιπ. Μέχρι τώρα δεν ήταν σαφές γιατί ο καπνός σχηματιζόταν αντί για διαμάντια.

Θερμοκρασία Goldilocks & Υδρογόνο

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι υπάρχει μια ακριβής θερμοκρασία στην οποία η διαδικασία δημιουργεί διαμάντι. Πάνω από αυτή τη κρίσιμη θερμοκρασία, το ακετυλένιο συμβάλλει κυρίως στην ανάπτυξη διαμαντιού. Κάτω από αυτή τη θερμοκρασία, συμβάλλει κυρίως στην ανάπτυξη καπνού.

Πηγή: Diamond And Related Materials

Ένας άλλος παράγοντας είναι η δραστηριότητα των ατόμων υδρογόνου κοντά στην επιφάνεια του διαμαντιού. Με περισσότερο υδρογόνο στην επιφάνεια, μπορούν να σχηματιστούν περισσότερα διαμάντια, ακόμη και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.

“Τα άτομα υδρογόνου δεν τροφοδοτούν άμεσα την ανάπτυξη του διαμαντιού, αλλά η διάσπαση του υδρογόνου είναι κρίσιμη για τη μετατροπή του μεθανίου σε ακετυλένιο και τη μεταφορά ατομικού υδρογόνου στην επιφάνεια ανάπτυξης του διαμαντιού. Και τα δύο είναι σημαντικά για την ανάπτυξη του διαμαντιού,”

Alexander Khrabry – Ερευνητής του Πανεπιστημίου Princeton

Μαζί, αυτές οι γνώσεις για το σχηματισμό διαμαντιού ανοίγουν το δρόμο για αξιόπιστη δημιουργία μικροσκοπικών διαμαντιών απευθείας μέσα σε πυριτιούχους ημιαγωγούς χωρίς να καταστρέφουν το υπόλοιπο υλικό με υψηλές θερμοκρασίες ή να δημιουργούν ανεπιθύμητο καπνό.

Κβαντικά Διαμάντια

Απλά διαμάντια που αποτελούνται μόνο από άνθρακα θα μπορούσαν να έχουν κάποιες εφαρμογές σε οπτικά και αισθητήρες. Αλλά πιο προχωρημένες μορφές διαμαντιών θα μπορούσαν να είναι ακόμη πιο χρήσιμες.

Για παράδειγμα, κβαντικά διαμάντια δημιουργούνται όταν κάποια από τα άτομα άνθρακα που σχηματίζουν το διαμάντι αντικαθίστανται από άλλα άτομα, όπως το άζωτο, και κάποια άλλα άτομα άνθρακα αφαιρούνται. Αυτό δημιουργεί το λεγόμενο κενό αζώτου (NV).

Σε ένα τέτοιο διαμάντι, τα ηλεκτρόνια μέσα αρχίζουν να ακολουθούν κβαντικούς κανόνες αντί για την κλασική φυσική, κάτι που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή qubits.

«Τα ηλεκτρόνια σε αυτό το υλικό δεν συμπεριφέρονται σύμφωνα με τους νόμους της κλασικής φυσικής όπως τα βαρύτερα σωματίδια. Αντίθετα, όπως όλα τα ηλεκτρόνια, συμπεριφέρονται σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής φυσικής.»

Alastair Stacey- Διευθυντής κύριος ερευνητής φυσικός και επικεφαλής των κβαντικών υλικών και συσκευών στο PPPL.

Τελειοποίηση του Βιβλίου Συνταγών του Διαμαντιού

Μέχρι τώρα, η μέθοδος χρήσης πλάσματος για τη δημιουργία διαμαντιών ήταν μακριά από την ακρίβεια. Χρησιμοποιούσε πολλή δοκιμή και σφάλμα, καθώς η θεωρία για το τι ακριβώς συμβαίνει στην επιφάνεια του διαμαντιού δεν είναι καλά κατανοητή.

Ιδανικά, το πλάσμα θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την προσθήκη μιας μονοατομικής στρώσης υδρογόνου πάνω στο διαμάντι. Αλλά στην περίπτωση των κβαντικών διαμαντιών, η υψηλή θερμοκρασία θα κατέστρεφε το κενό αζώτου.

Έτσι, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα εκτενές αναλυτικό σύστημα (χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φωτοφωταύγειας) για να αξιολογήσουν τι λειτουργεί καλύτερα για τη δημιουργία μιας στρώσης υδρογόνου στα NV διαμάντια.

Πηγή: Advanced Materials Interface

Βρήκαν ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν 2 νέες μέθοδοι, αν και η καθεμία έχει τα δικά της μειονεκτήματα προς το παρόν.

Πηγή: Advanced Materials Interface

• Ανόπτηση με αέριο σχηματισμού, η οποία χρησιμοποιεί ένα μείγμα μορίων υδρογόνου και αζώτου, λειτούργησε αλλά απαιτούσε πολύ καθαρό αέριο υδρογόνου χωρίς οξυγόνο, κάτι δύσκολο να επιτευχθεί σε χαμηλές θερμοκρασίες.
• Ψυχρή πλάσμα τερματισμού, η οποία χρησιμοποιεί έμμεσα πλάσμα υδρογόνου, δεν κατέστρεψε το κέντρο NV και ήταν πιο εύκολη στην υλοποίηση, αλλά δημιούργησε στρώση υδρογόνου χαμηλότερης ποιότητας στο διαμάντι.

«Αυτό αναδεικνύει την ανταλλαγή μεταξύ ποιότητας επιφάνειας και ιδιοτήτων NV που θα πρέπει να ισορροπηθεί σε μελλοντικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, σε έργα βιομοριακής ανίχνευσης, είναι απολύτως κρίσιμο τα NV να διατηρούνται κοντά στις επιφάνειες.»

Daniel McCloskey – Ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Μελβούρνης.

Συνολικά, αυτές οι ανακαλύψεις ανοίγουν το δρόμο για μερικές νέες, προηγουμένως δύσκολες ή αδύνατες εφαρμογές για τα διαμάντια:

• Άμεση παραγωγή πάνω σε πυριτιούχους ημιαγωγούς, ενσωματώνοντας τα διαμάντια απευθείας σε κυκλώματα, αισθητήρες και τρανζίστορ.
• Παραγωγή κβαντικών διαμαντιών σε λειτουργικά qubits, συμπεριλαμβανομένης μιας προσεκτικά ρυθμισμένης στρώσης υδρογόνου στην επιφάνεια του διαμαντιού.

Νέοι Κβαντικοί Υπολογιστές

Οι κβαντικοί υπολογιστές μέχρι τώρα έχουν κατασκευαστεί με γνωστές μεθόδους που προέρχονται από τις παραδοσιακές τακτικές κατασκευής της ημιαγωγικής βιομηχανίας. Αλλά με την κβαντική τεχνολογία τόσο διαφορετική από την κανονική υπολογιστική, είναι λογικό ότι νέα υλικά είναι πιθανώς πιο κατάλληλα από το παραδοσιακό πυρίτιο.

Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει διαμάντια, που θα μπορούσαν κάποια μέρα να επιτρέψουν την κβαντική υπολογιστική σε θερμοκρασία δωματίου, κάτι που όχι μόνο θα μειώσει δραστικά το κόστος αλλά και θα βοηθήσει στη δημιουργία μεγαλύτερων κβαντικών υπολογιστών.

«Η δημιουργία ενός κβαντικού προσομοιωτή με περισσότερα από 50 qubits και ενός κβαντικού υπολογιστή σε θερμοκρασία δωματίου ανοίγει το δρόμο για κλιμάκωση σε μεγαλύτερο αριθμό qubits, όπως 100 ή 1000, κάτι που θα ήταν επαναστατικό για τομείς όπως η κρυπτογραφία, η τεχνητή νοημοσύνη και η επιστήμη των υλικών.»

Αυτή η δυνατότητα θα επέτρεπε στους επιστήμονες να ανακαλύψουν φάρμακα που σώζουν ζωές πιο γρήγορα, να λύσουν δύσκολα προβλήματα βελτιστοποίησης ή να αναπτύξουν τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας πιο αποδοτικά.

Martin Koppenhöfer – Συντονιστής έργου στο SPINUS

Εκτός από τα διαμάντια, άλλα καινοτόμα υλικά όπως, για παράδειγμα, πιεζοηλεκτρικοί νανομηχανικοί ταλαντωτές από αλουμίνιο νιτρικό θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για κβαντικούς αισθητήρες ή κβαντικούς μετατροπείς.

Συνολικά, είναι πιθανό ότι τα προχωρημένα νέα υλικά θα αποτελέσουν μια σταθερή εναλλακτική στο πυρίτιο και θα προωθήσουν την υπόσχεση της κβαντικής υπολογιστικής πολύ πιο μακριά από ό,τι μπορούμε να φανταστούμε σήμερα.

Επένδυση στην Κβαντική Υπολογιστική

Η κβαντική υπολογιστική μόλις ξεκινά, αλλά έχει ήδη τραβήξει την προσοχή κάθε μεγάλης εταιρείας υπολογιστών που έχει ενισχύσει την επανάσταση του πυριτίου μέχρι τώρα.

Μπορεί να περιοριστεί για πάντα σε εξειδικευμένες εφαρμογές αντί να ενσωματωθεί στους υπολογιστές μας, αλλά θα μπορούσε ακόμη να γίνει καθοριστική στην μοντελοποίηση της φυσικής, της βιολογίας, των επιστημών των υλικών, της κρυπτογραφίας και των στρατιωτικών εφαρμογών.

Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες κβαντικής υπολογιστικής μέσω πολλών μεσιτών, και μπορείτε να βρείτε εδώ, στο securities.io, τις προτάσεις μας για τους καλύτερους μεσίτες στις ΗΠΑ, τον Καναδά, την Αυστραλία, το Ηνωμένο Βασίλειο, καθώς και σε πολλές άλλες χώρες.

Αν δεν ενδιαφέρεστε να επιλέξετε συγκεκριμένες εταιρείες, μπορείτε επίσης να εξετάσετε ETFs όπως το ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ή το WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) που θα προσφέρουν πιο διαφοροποιημένη έκθεση για να εκμεταλλευτείτε τις μετοχές κβαντικής υπολογιστικής & νανοτεχνολογίας.

Ή μπορείτε να δείτε τη λίστα μας με τα «Top 10 Nanotechnology Stocks» και «5 Best Quantum Computing Companies».

Εταιρείες Κβαντικής Υπολογιστικής

Η International Business Machines Corporation (IBM) ήταν η ηγετική δύναμη πίσω από την εμπορευματοποίηση του πρώτου mainframe υπολογιστή.

Ωστόσο, πρόσφατα έχει υποχωρήσει στον όγκο παραγωγής σε σχέση με άλλους τεχνολογικούς γίγαντες όπως η Apple (AAPL ), η TSMC (TSM ), και η NVIDIA (NVDA )

Είναι, ωστόσο, στην πρώτη γραμμή της ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών. Για παράδειγμα, ανέπτυξε τον 127-qubit κβαντικό υπολογιστή «Eagle», ο οποίος ακολουθήθηκε από ένα σύστημα 433-qubit γνωστό ως «Osprey».

Και αυτό ακολουθείται τώρα από το «Condor», έναν υπεραγωγικό κβαντικό επεξεργαστή 1.121 qubits βασισμένο στην τεχνολογία πύλης cross-resonance, μαζί με το «Heron», έναν κβαντικό επεξεργαστή στην άκρη του πεδίου.

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να ωφεληθούν από βελτιωμένο μαγνητικό έλεγχο, ενισχύοντας τη σταθερότητα και την αξιοπιστία των qubits, που είναι ουσιώδεις για την επεξεργαστική ισχύ.

Ανάλογα, οι προόδους στους υπεραγωγούς, που βασίζονται σε ελεγχόμενα μαγνητικά πεδία, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πιο αποδοτική μετάδοση ενέργειας και συστήματα ψύξης, ιδιαίτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Η IBM συμμετέχει στις περισσότερες άλλες καινοτομίες αιχμής στην υπολογιστική και τη βιομηχανία ημιαγωγών. Αυτές περιλαμβάνουν αγώγιμα οργανικά υλικά, νευρομορφική υπολογιστική, φωτονική, κ.λπ.

Σε κάποιο βαθμό, η IBM έχει γίνει μια «εταιρεία πατεντών» με εξειδίκευση στην ανάπτυξη νέων μεθόδων υπολογισμού και την αδειοδότησή τους στη βιομηχανία.

Μέχρι τώρα, φαίνεται πολύ αποφασισμένη να διατηρήσει όσο το δυνατόν περισσότερες βασικές πατέντες σε όλες τις μη-σιλικόπυριτικές μεθόδους υπολογισμού που μπορεί, επαναλαμβάνοντας την προηγούμενη επιτυχία της όταν συνέβαλε μαζικά στην ανάπτυξη της ημιαγωγικής βιομηχανίας σε γιγαντιαίο επίπεδο.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Quantum chemistry model of surface reactions and kinetic model of diamond growth: Effects of CH₃ radicals and C₂H₂ molecules at low-temperature 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). Methods for color center preserving hydrogen-termination of diamond. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}