Υπολογιστική
Μπορούν τα Διαμάντια να Αποκτήσουν Βελτιωμένα Qubit για την Κβαντική Υπολογιστική;
Προσθέστε το Securities.io στις προτιμώμενες πηγές σας στο Google
Χρήση Διαμαντιού για την Κβαντική Υπολογιστική
Σε αντίθεση με τους κλασικούς υπολογιστές που χρησιμοποιούν bit, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν qubit. Δύο σημαντικά κβαντικά φαινόμενα είναι η υπέρθεση και η κβαντική διεμπλοκή.
- Υπέρθεση επιτρέπει σε ένα qubit να περιγράφεται ως συνδυασμός των καταστάσεων 0 και 1. Αυτό δεν σημαίνει ότι μπορούμε να διαβάσουμε ταυτόχρονα όλες τις πιθανές τιμές ως κλασικά δεδομένα.
- Κβαντική διεμπλοκή δημιουργεί συσχετίσεις μεταξύ qubit που δεν περιγράφονται κλασικά. Δεν επιτρέπει τη στιγμιαία μετάδοση πληροφοριών σε απόσταση.
Οι κβαντικές μονάδες επεξεργασίας μπορούν, με κατάλληλους αλγορίθμους, να προσφέρουν πλεονέκτημα σε ορισμένα προβλήματα. Δεν είναι γενικά ταχύτερες σε κάθε εργασία ούτε εξετάζουν όλες τις λύσεις με τρόπο που να επιτρέπει την απευθείας ανάγνωσή τους.
Ο Alastair Stacey επισημαίνει ότι η ευαισθησία των κβαντικών καταστάσεων στο περιβάλλον τους μπορεί να αξιοποιηθεί σε αισθητήρες.
Alastair Stacey — επικεφαλής ερευνητής και υπεύθυνος κβαντικών υλικών και διατάξεων στο PPPL.
Ωστόσο, τα qubits είναι εξαιρετικά ευαίσθητα, και η μέτρηση των ιδιοτήτων τους δεν είναι εύκολη εργασία.
Μπορεί το διαμάντι, ένα εξαιρετικά σκληρό υλικό, να συμβάλει στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών και κβαντικών διατάξεων; Ερευνητές του Princeton και του PPPL μελετούν αυτή τη δυνατότητα. Μία σχετική εργασία στο Diamond and Related Materials έχει τίτλο «Μοντέλο κβαντικής χημείας επιφανειακών αντιδράσεων και κινητικό μοντέλο ανάπτυξης διαμαντιού: επιδράσεις των ριζών CH₃ και των μορίων C₂H₂ σε CVD χαμηλής θερμοκρασίας1».
Μια δεύτερη εργασία ερευνητών από το Princeton, το PPPL και ιδρύματα της Μελβούρνης δημοσιεύθηκε με τίτλο «Μέθοδοι υδρογονικού τερματισμού του διαμαντιού που διατηρούν τα χρωματικά κέντρα».
Ελεγχόμενη εργαστηριακή ανάπτυξη διαμαντιών
Το διαμάντι μπορεί να παραχθεί εργαστηριακά με διαφορετικές μεθόδους. Για ηλεκτρονικές εφαρμογές χρησιμοποιείται μεταξύ άλλων χημική εναπόθεση ατμών (CVD), η οποία δεν ταυτίζεται με τη μέθοδο υψηλής πίεσης και υψηλής θερμοκρασίας. Η μείωση της θερμοκρασίας ανάπτυξης θα διευκόλυνε την ενσωμάτωση σε διατάξεις πυριτίου.
Μία σχετική τεχνική είναι η χημική εναπόθεση ατμών ενισχυμένη με πλάσμα. Οι ερευνητές μελέτησαν τον ρόλο του ακετυλενίου στην ανάπτυξη διαμαντιού και ανεπιθύμητου άνθρακα.
Πηγή: PPPL
Το πρόβλημα είναι ότι μπορεί να σχηματιστεί αιθάλη πάνω στο διαμάντι, υποβαθμίζοντας τις οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητές του. Η αιθάλη δεν είναι απλώς «καπνός», αλλά ανεπιθύμητη μορφή στερεού άνθρακα.
Η κατάλληλη θερμοκρασία και ο ρόλος του υδρογόνου
Το μοντέλο προσδιορίζει μια κρίσιμη θερμοκρασία που εξαρτάται από τις συνθήκες της διεργασίας. Πάνω από αυτήν, το ακετυλένιο ευνοεί περισσότερο την ανάπτυξη διαμαντιού· κάτω από αυτήν, την ανάπτυξη αιθάλης.
Πηγή: Diamond and Related Materials
Σημαντική είναι επίσης η συγκέντρωση ατομικού υδρογόνου κοντά στην επιφάνεια, η οποία επηρεάζει τις αντιδράσεις ανάπτυξης.
“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
Τα ευρήματα βοηθούν στην κατανόηση της ανάπτυξης διαμαντιού σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Δεν αποτελούν ακόμη ολοκληρωμένη απόδειξη αξιόπιστης μαζικής ενσωμάτωσης διαμαντιών σε κυκλώματα πυριτίου.
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.
Ένα κέντρο αζώτου–κενής θέσης (NV) αποτελείται από ένα άτομο αζώτου που αντικαθιστά άτομο άνθρακα στο κρυσταλλικό πλέγμα και μια γειτονική κενή θέση. Τέτοιες ατομικές ατέλειες μπορούν να αξιοποιηθούν σε κβαντικές εφαρμογές.
Τα ηλεκτρόνια ακολουθούν πάντοτε την κβαντική φυσική. Στα κέντρα NV, ορισμένες καταστάσεις του ηλεκτρονικού σπιν μπορούν να ελεγχθούν και να μετρηθούν, προσφέροντας δυνατότητες για αισθητήρες και qubit.
«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 — επικεφαλής ερευνητής και υπεύθυνος κβαντικών υλικών και διατάξεων στο PPPL.
Βελτίωση των μεθόδων επεξεργασίας 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.
Ο υδρογονικός τερματισμός καλύπτει την επιφάνεια με άτομα υδρογόνου. Η συμβατική θερμή κατεργασία με πλάσμα μπορεί όμως να υποβαθμίσει τον φθορισμό των κέντρων NV.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τεχνικές χαρακτηρισμού, μεταξύ των οποίων φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ για την επιφάνεια και φωτοφωταύγεια για τα κέντρα NV, ώστε να συγκρίνουν τις μεθόδους.
Βρήκαν ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν 2 νέες μέθοδοι, αν και η καθεμία έχει τα δικά της μειονεκτήματα προς το παρόν.
- Ανόπτηση σε μείγμα υδρογόνου και αζώτου: η ποιότητα του υδρογονικού τερματισμού εξαρτιόταν έντονα από τη θερμοκρασία και την καθαρότητα του μείγματος. Μικρές ποσότητες οξυγόνου επηρέαζαν το αποτέλεσμα, ενώ η αποτελεσματική απομάκρυνσή τους απαιτούσε υψηλές θερμοκρασίες.
- Τερματισμός με ψυχρό πλάσμα: η έκθεση σε πλάσμα υδρογόνου χωρίς σκόπιμη θέρμανση του υποστρώματος διατήρησε τον φθορισμό των NV, αλλά έδωσε επιφάνεια χαμηλότερης ποιότητας από τη συμβατική θερμή μέθοδο.
Ο Daniel McCloskey υπογραμμίζει ότι χρειάζεται ισορροπία ανάμεσα στην ποιότητα της επιφάνειας και τη διατήρηση των ιδιοτήτων NV, ιδίως για βιομοριακή ανίχνευση κοντά στην επιφάνεια.
Συνολικά, αυτές οι ανακαλύψεις ανοίγουν το δρόμο για μερικές νέες, προηγουμένως δύσκολες ή αδύνατες εφαρμογές για τα διαμάντια:
- Μελλοντική ενσωμάτωση υλικών διαμαντιού σε ηλεκτρονικές διατάξεις, αισθητήρες και τρανζίστορ πυριτίου.
- Καλύτερη προετοιμασία επιφανειών διαμαντιού με κέντρα NV για κβαντική ανίχνευση και επεξεργασία.
Νέοι Κβαντικοί Υπολογιστές
Η κβαντική υπολογιστική χρησιμοποιεί διαφορετικές φυσικές πλατφόρμες, όπως υπεραγώγιμα κυκλώματα, παγιδευμένα ιόντα, ουδέτερα άτομα και στερεά υλικά με ατομικές ατέλειες. Το διαμάντι είναι μία από τις επιλογές υπό διερεύνηση. Ορισμένες διατάξεις NV λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι έχει ήδη κατασκευαστεί ένας γενικής χρήσης, ανεκτικός σε σφάλματα κβαντικός υπολογιστής δωματίου.
«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.
Εκτός από το διαμάντι, διερευνώνται και άλλα υλικά, όπως το νιτρίδιο του αλουμινίου σε πιεζοηλεκτρικές νανομηχανικές διατάξεις. Αυτά μπορεί να είναι χρήσιμα σε κβαντικούς αισθητήρες και μετατροπείς. Η καταλληλότητα κάθε υλικού εξαρτάται από τη συγκεκριμένη εφαρμογή.
Επένδυση στην Κβαντική Υπολογιστική
Η κβαντική υπολογιστική βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο, αλλά προσελκύει επενδύσεις από μεγάλες εταιρείες τεχνολογίας. Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν την προσομοίωση φυσικών και χημικών συστημάτων, χωρίς να είναι βέβαιο πότε θα γίνουν εμπορικά χρήσιμες σε μεγάλη κλίμακα.
Μπορείτε να εξετάσετε μετοχές εταιρειών μέσω χρηματιστηριακών εταιρειών που εξυπηρετούν τη χώρα σας. Στο securities.io υπάρχουν σχετικοί οδηγοί για διάφορες αγορές.
Το ProShares Nanotechnology ETF (TINY) εστιάζει στη νανοτεχνολογία, ενώ το WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) στο λογισμικό υπολογιστικού νέφους. Δεν είναι αμιγή ETF κβαντικής υπολογιστικής και η έκθεσή τους πρέπει να ελέγχεται στις πραγματικές συμμετοχές τους.
Μπορείτε επίσης να δείτε τους οδηγούς μας για μετοχές νανοτεχνολογίας και εταιρείες κβαντικής υπολογιστικής.
Εταιρείες Κβαντικής Υπολογιστικής
IBM Διάγραμμα τιμής
Η International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) έχει μακρά ιστορία στους κεντρικούς υπολογιστές και σημαντική δραστηριότητα στην κβαντική υπολογιστική.
Το σημερινό επιχειρηματικό της μοντέλο διαφέρει από εκείνο εταιρειών όπως η Apple (AAPL ), η TSMC (TSM ) και η NVIDIA (NVDA ). Η σύγκριση μόνο με βάση τον όγκο παραγωγής δεν αποτυπώνει αυτές τις διαφορές.
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».
Στα συστήματα που παρουσίασε η IBM έως το 2024 περιλαμβάνονται ο Condor με 1.121 φυσικά qubit και ο Heron, ο οποίος εστιάζει στη βελτίωση της ποιότητας των λειτουργιών. Ο αριθμός φυσικών qubit μόνος του δεν μετρά τη χρησιμότητα ή την ανοχή σε σφάλματα.
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.
Αντίστοιχα, η έρευνα σε υπεραγώγιμα υλικά και στις συνθήκες λειτουργίας τους μπορεί να υποστηρίξει ενεργειακές και κβαντικές εφαρμογές. Οι απαιτήσεις ψύξης εξαρτώνται από το υλικό και τη διάταξη.
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.
Η IBM επιδιώκει να διατηρεί σημαντική τεχνογνωσία και πνευματική ιδιοκτησία σε νέες αρχιτεκτονικές υπολογιστών, συμπεριλαμβανομένων τεχνολογιών που δεν βασίζονται αποκλειστικά στο πυρίτιο.
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., Roberts, D., Rodgers, L. V. H., Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Simpson, D. A., de Leon, N. P., Stacey, A., & Dontschuk, N. (2024). Methods for color center preserving hydrogen-termination of diamond. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242
