Θα μπορούσαν τα Diamonds να ξεκλειδώσουν βελτιωμένα Qubits για Κβαντικό Υπολογισμό;

Χρήση διαμαντιών για κβαντικούς υπολογιστές

Σε αντίθεση με τους κανονικούς υπολογιστές που χρησιμοποιούν bit (0 & 1), οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν "qubits". Τα Qubits μπορούν να υπάρχουν σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα χάρη σε δύο κβαντικές ιδιότητες: προσθήκη   μπλέξιμο.

• Προσθήκη επιτρέπει στα qubit να αντιπροσωπεύουν και το 0 και το 1 ταυτόχρονα, αυξάνοντας εκθετικά τα δεδομένα που μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία σε σύγκριση με τα κλασικά bit.
• Μπλέξιμο συνδέει qubits με τέτοιο τρόπο ώστε η κατάσταση ενός qubit να μπορεί να επηρεάσει στιγμιαία ένα άλλο, ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις.

Αυτές οι ιδιότητες επιτρέπουν στα QPU να επιλύουν εξαιρετικά πολύπλοκα προβλήματα πολύ πιο γρήγορα από τους κλασικούς υπολογιστές εξερευνώντας πολλές λύσεις ταυτόχρονα.

«Το πλεονέκτημα των qubits είναι ότι μπορούν να κρατήσουν πολύ περισσότερες πληροφορίες από ό,τι τα κανονικά bit. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν επίσης να μας δώσουν πολύ περισσότερες πληροφορίες για το περιβάλλον τους, καθιστώντας τους εξαιρετικά πολύτιμους ως αισθητήρες, για παράδειγμα.»

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

Ωστόσο, τα qubits είναι εξαιρετικά εύθραυστα και η μέτρηση των ιδιοτήτων τους δεν είναι εύκολη υπόθεση.

Τι θα γινόταν, λοιπόν, αν βασιζόμασταν σε ένα από τα πιο σκληρά υλικά στη γη – το διαμάντι – για την εκτέλεση εργασιών στον πιο προηγμένο υπολογιστή μας; Αυτό είναι το όραμα των ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, οι οποίοι δημοσίευσαν πρόσφατα στο Diamond And Related Materials, με τον τίτλο «Μοντέλο κβαντικής χημείας επιφανειακών αντιδράσεων και κινητικό μοντέλο ανάπτυξης διαμαντιών: Επιδράσεις ριζών CH3 και μορίων C2H2 σε χαμηλές θερμοκρασίες CVD¹".

Αυτό ενώνεται με τις εργασίες άλλων ερευνητών στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης και στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, που δημοσιεύθηκαν με τον τίτλο "Μέθοδοι για τη διατήρηση του κέντρου χρώματος με υδρογόνο-Τερματισμός του διαμαντιού². "

Καλλιέργεια διαμαντιών κατά παραγγελία

Τα διαμάντια, ιστορικά μόνο μια φυσική πέτρα, κατασκευάζονται κυρίως από ακατέργαστο άνθρακα αυτές τις μέρες. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία απαιτεί πολύ έντονη θερμότητα και πίεση, επομένως δεν μπορεί να συνδυαστεί με άλλα υλικά όπως το πυρίτιο που χρησιμοποιείται σε τσιπ υπολογιστών. Για αυτό, απαιτείται κατασκευή διαμαντιών σε χαμηλή θερμοκρασία.

Ορισμένες μέθοδοι έχουν ήδη διερευνηθεί, όπως η χρήση ακετυλενίου και μια τεχνική που ονομάζεται «ενισχυμένη με πλάσμα χημική εναπόθεση ατμών».

Πηγή: PPPL

Το πρόβλημα με αυτό είναι ότι ενώ μπορεί να καλλιεργήσει μικροσκοπικά διαμάντια, εναποθέτει επίσης πολλή αιθάλη, η οποία μπορεί να αναπτυχθεί πάνω από το διαμάντι και να εμποδίσει την απόδοση των οπτικών, των αισθητήρων και των τσιπ. Μέχρι τώρα δεν ήταν σαφές γιατί σχηματίστηκε η αιθάλη αντί για διαμάντια.

Goldilocks Θερμοκρασία & Υδρογόνο

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι υπάρχει μια ακριβής θερμοκρασία στην οποία η διαδικασία δημιουργεί ένα διαμάντι. Πάνω από αυτή την κρίσιμη θερμοκρασία, η ακετυλίνη συμβάλλει κυρίως στην ανάπτυξη διαμαντιών. Κάτω από αυτή την κρίσιμη θερμοκρασία, συμβάλλει κυρίως στην ανάπτυξη αιθάλης.

Πηγή: Diamond And Related Materials

Ένας άλλος παράγοντας είναι η δραστηριότητα των ατόμων υδρογόνου κοντά στην επιφάνεια του διαμαντιού. Με περισσότερο υδρογόνο κοντά 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 ή η διάσπαση του υδρογόνου είναι ζωτικής σημασίας για τη μετατροπή του μεθανίου σε ακετυλένιο και τη μεταφορά του ατομικού υδρογόνου στην επιφάνεια ανάπτυξης του διαμαντιού. Και τα δύο είναι σημαντικά για την ανάπτυξη των διαμαντιών.»

Alexander Khrabry – Υπότροφος του Πανεπιστημίου Princeton

Μαζί, αυτές οι γνώσεις στον σχηματισμό διαμαντιών ανοίγουν το δρόμο για την αξιόπιστη δημιουργία μικροσκοπικών διαμαντιών απευθείας μέσα σε ημιαγωγούς πυριτίου χωρίς να καταστρέφεται το υπόλοιπο υλικό με υψηλές θερμοκρασίες ή να δημιουργείται ανεπιθύμητη αιθάλη.

Quantum Diamonds

Τα απλά διαμάντια που κατασκευάζονται μόνο με άνθρακα θα μπορούσαν να έχουν κάποιες εφαρμογές στην οπτική και στους αισθητήρες. Αλλά πιο προηγμένες μορφές διαμαντιών θα μπορούσαν να είναι ακόμη πιο χρήσιμες.

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

Σε ένα τέτοιο διαμάντι, τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό αρχίζουν να ακολουθούν κβαντικούς κανόνες αντί της κλασικής φυσικής, η οποία 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 κβαντικών υλικών και συσκευών στο PPPL.

Τελειοποιώντας το βιβλίο μαγειρικής του διαμαντιού

Μέχρι τώρα, η μέθοδος χρήσης πλάσματος για τη δημιουργία διαμαντιών δεν ήταν καθόλου ακριβής. Χρησιμοποιούσε πολλές δοκιμές και λάθη, καθώς η θεωρία του τι ακριβώς συμβαίνει στην επιφάνεια του διαμαντιού δεν είναι καλά κατανοητή.

Στην ιδανική περίπτωση, το πλάσμα θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την προσθήκη ενός μονοατομικού στρώματος υδρογόνου πάνω από το διαμάντι. Αλλά στην περίπτωση των κβαντικών διαμαντιών, η υψηλή θερμοκρασία θα κατέστρεφε το κενό άζωτο.

Έτσι, οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα περίπλοκο αναλυτικό σύστημα (χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φωτοφωταύγειας) για να κρίνουν τι λειτουργεί καλύτερα για τη δημιουργία ενός στρώματος υδρογόνου σε διαμάντια NV.

Πηγή: Διεπαφή Προηγμένων Υλικών

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

Πηγή: Διεπαφή Προηγμένων Υλικών

• Σχηματισμός ανόπτηση αερίου, που χρησιμοποιεί ένα μείγμα μορίων υδρογόνου και αερίου αζώτου, δούλεψε αλλά απαιτούσε πολύ καθαρό αέριο υδρογόνο χωρίς καθόλου οξυγόνο, κάτι δύσκολο να επιτευχθεί σε χαμηλές θερμοκρασίες.
• Τερματισμός ψυχρού πλάσματος, που χρησιμοποιεί έμμεσα πλάσμα υδρογόνου, δεν κατέστρεψε το κέντρο NV και ήταν ευκολότερο να εφαρμοστεί, αλλά δημιούργησε χαμηλότερη ποιότητα στρώματος υδρογόνου στο διαμάντι.

«Αυτό υπογραμμίζει την αντιστάθμιση μεταξύ ποιότητας επιφάνειας και ιδιοτήτων NV που θα πρέπει να εξισορροπηθούν σε μελλοντικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, σε έργα βιομοριακής ανίχνευσης, είναι απολύτως σημαντικό τα NV να διατηρούνται κοντά σε επιφάνειες».

Ντάνιελ ΜακΚλόσκι - Ρερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης. 

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

• Απευθείας παραγωγή σε ημιαγωγούς πυριτίου, ενσωματώνοντας διαμάντια απευθείας σε κυκλώματα, αισθητήρες και τρανζίστορ.
• Παραγωγή κβαντικών διαμαντιών σε λειτουργικά qubits, συμπεριλαμβανομένου ενός καλά συντονισμένου στρώματος υδρογόνου στην επιφάνεια του διαμαντιού.

Νέοι Κβαντικοί Υπολογιστές

Οι κβαντικοί υπολογιστές έχουν κατασκευαστεί μέχρι στιγμής με γνωστές μεθόδους που απορρέουν από τις παραδοσιακές τακτικές παραγωγής που χρησιμοποιούνται από τη βιομηχανία ημιαγωγών. Αλλά με την κβαντική τεχνολογία τόσο διαφορετική από την κανονική υπολογιστική, είναι λογικό τα νέα υλικά να ταιριάζουν καλύτερα από το παραδοσιακό πυρίτιο.

Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει διαμάντια, επιτρέποντας για μια μέρα την εκτέλεση κβαντικών υπολογιστών σε θερμοκρασία δωματίου, κάτι που όχι μόνο θα μείωνε δραστικά το κόστος αλλά και θα βοηθούσε στη δημιουργία μεγαλύτερων κβαντικών υπολογιστών.

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

Αυτή η ικανότητα θα επέτρεπε στους επιστήμονες να ανακαλύπτουν πιο γρήγορα φάρμακα που σώζουν ζωές, να λύνουν δύσκολα προβλήματα βελτιστοποίησης ή να αναπτύσσουν τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας πιο αποτελεσματικά».

Martin Koppenhöfer - Συντονιστής του έργου στο SPINUS

Εκτός από τα διαμάντια, άλλα νέα καινοτόμα υλικά όπως για παράδειγμα Οι πιεζοηλεκτρικοί νανομηχανικοί συντονιστές από νιτρίδιο αλουμινίου θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για κβαντικούς αισθητήρες ή κβαντικούς μετατροπείς.

Συνολικά, είναι πιθανό τα προηγμένα νέα υλικά να είναι μια σταθερή εναλλακτική λύση στο πυρίτιο και να ωθήσουν την υπόσχεση του κβαντικού υπολογισμού πολύ περισσότερο από ό,τι θα μπορούσαμε να μαντέψουμε σήμερα.

Επένδυση στον Κβαντικό Υπολογισμό

Η κβαντική πληροφορική μόλις ξεκινάει, αλλά έχει ήδη τραβήξει την προσοχή κάθε μεγάλης εταιρείας υπολογιστών που έχει τροφοδοτήσει την επανάσταση του πυριτίου μέχρι στιγμής.

Μπορεί να περιορίζεται για πάντα σε εξειδικευμένες εφαρμογές περισσότερο από ό,τι συμβαίνει στους υπολογιστές μας, αλλά θα μπορούσε να εξακολουθήσει να έχει καθοριστικό ρόλο στη μοντελοποίηση της φυσικής, της βιολογίας, των επιστημών των υλικών, της κρυπτογραφίας και των στρατιωτικών εφαρμογών.

Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες κβαντικών υπολογιστών μέσω πολλών μεσιτών, και μπορείτε να βρείτε εδώ, στο χρεόγραφα.io, οι προτάσεις μας για τους καλύτερους μεσίτες η ΗΠΑ, Canada, Australia, το Ηνωμένο Βασίλειο, καθώς και πολλές άλλες χώρες.

Εάν δεν σας ενδιαφέρει να επιλέξετε συγκεκριμένες εταιρείες, μπορείτε επίσης να αναζητήσετε ETF όπως το ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ή το Ταμείο WisdomTree Cloud Computing (WCLD) η οποία θα παρέχει μια πιο διαφοροποιημένη έκθεση για την κεφαλαιοποίηση των μετοχών κβαντικών υπολογιστών και νανοτεχνολογίας.

Ή μπορείτε να δείτε τη λίστα μας με τα "Top 10 μετοχές νανοτεχνολογίας" και «5 Καλύτερες Εταιρείες Κβαντικών Υπολογιστών».

Εταιρείες Quantum Computing

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

Ωστόσο, πρόσφατα έχει μείνει πίσω στον όγκο παραγωγής άλλων τεχνολογικών κολοσσών όπως η Apple (AAPL ), TSMC (TSM )και NVIDIA (NVDA )

Βρίσκεται, ωστόσο, στην πρώτη γραμμή της ανάπτυξης των κβαντικών υπολογιστών. Για παράδειγμα, ανέπτυξε τον κβαντικό υπολογιστή «Eagle» των 127 qubit, τον οποίο ακολούθησε ένα σύστημα 433 qubit γνωστό ως «Osprey».

Και αυτό είναι τώρα ακολουθούμενο από τον "Condor", έναν κβαντικό επεξεργαστή υπεραγώγιμου qubit 1,121 βασίζεται στην τεχνολογία πύλης διασταυρούμενου συντονισμού, μαζί με τον «Heron», έναν κβαντικό επεξεργαστή στην άκρη του πεδίου.

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να επωφεληθούν από τον βελτιωμένο μαγνητικό έλεγχο, ενισχύοντας τη σταθερότητα και την αξιοπιστία του qubit, τα οποία είναι απαραίτητα για την ισχύ επεξεργασίας.

Ομοίως, οι εξελίξεις στους υπεραγωγούς, οι οποίοι βασίζονται σε ελεγχόμενα μαγνητικά πεδία, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πιο αποτελεσματικά συστήματα μετάδοσης ενέργειας και ψύξης, ιδιαίτερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Η IBM εμπλέκεται στις περισσότερες από τις άλλες καινοτομίες αιχμής στον τομέα της πληροφορικής και της βιομηχανίας ημιαγωγών. Αυτά περιλαμβάνουν αγώγιμα οργανικά υλικά, νευρομορφικός υπολογισμός, φωτονικήΚ.λπ.

Σε κάποιο βαθμό, η IBM έχει γίνει μια «εταιρεία πατεντών» με εξειδίκευση στην ανάπτυξη νέων υπολογιστικών μεθόδων και στην αδειοδότηση τους στον κλάδο.

Μέχρι στιγμής, φαίνεται πολύ αποφασισμένη να κατέχει τόσα βασικά διπλώματα ευρεσιτεχνίας σε όλες τις μεθόδους υπολογισμού χωρίς πυρίτιο που μπορεί να αποκτήσει, αναπαράγοντας την προηγούμενη επιτυχία της όταν συμβάλλει μαζικά στην ανάπτυξη της βιομηχανίας ημιαγωγών στον γίγαντα που είναι σήμερα.

Αναφορά μελέτης:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Μοντέλο κβαντικής χημείας επιφανειακών αντιδράσεων και κινητικό μοντέλο ανάπτυξης διαμαντιών: Επιδράσεις ριζών CHXNUMX και μορίων CXNUMXHXNUMX σε CVD χαμηλής θερμοκρασίας. Διαμάντι και συναφή υλικά, 149 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP, & Kaganovich, ID (2024). Μέθοδοι για το κέντρο χρώματος με διατήρηση υδρογόνου-τερματισμός του διαμαντιού. Προηγμένες διεπαφές υλικών, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}