Voisiko Diamonds avata parannettuja Qubiteja kvanttilaskentaan?

Timantin käyttäminen kvanttilaskentaan

Toisin kuin tavalliset tietokoneet, jotka käyttävät bittejä (0 ja 1), kvanttitietokoneet käyttävät "kubitteja". Kubitit voivat esiintyä useissa tiloissa samanaikaisesti kahden kvanttiominaisuuden ansiosta: päällekkäisyys ja kietoutuminen.

• superpositio sallii kubittien edustaa sekä 0:ta että 1:tä samanaikaisesti, mikä lisää eksponentiaalisesti käsiteltävää dataa verrattuna klassisiin bitteihin.
• kietoutuminen linkittää kubitit siten, että yhden kubitin tila voi välittömästi vaikuttaa toiseen, jopa suurilla etäisyyksillä.

Näiden ominaisuuksien avulla QPU:t voivat ratkaista erittäin monimutkaisia ​​ongelmia paljon nopeammin kuin perinteiset tietokoneet tutkimalla useita ratkaisuja samanaikaisesti.

"Kubittien etuna on, että ne voivat sisältää paljon enemmän tietoa kuin tavalliset bitit. Tämä tarkoittaa, että he voivat myös antaa meille paljon enemmän tietoa ympäristöstään, mikä tekee niistä erittäin arvokkaita esimerkiksi antureina.

Alastair Stacey - PPPL:n johtava tutkimusfyysikko ja kvanttimateriaalien ja -laitteiden johtaja.

Kubitit ovat kuitenkin erittäin hauraita, eikä niiden ominaisuuksien mittaaminen ole helppoa.

Entä jos sen sijaan luottaisimme yhteen maan kovimmista materiaaleista – timantista – tehtävien suorittamiseen edistyneimmällä tietokoneellamme? Tämä on Princetonin yliopiston tutkijoiden visio, joka julkaisi äskettäin Diamond And Related Materialsissa otsikolla "Pintareaktioiden kvanttikemiallinen malli ja timanttien kasvun kineettinen malli: CH3-radikaalien ja C2H2-molekyylien vaikutukset matalissa lämpötiloissa CVD¹".

Tämä liittyy muiden Melbournen yliopiston ja Princetonin yliopiston tutkijoiden töihin, jotka on julkaistu otsikolla "Menetelmät värikeskuksen säilyttämiseksi vedyllä - timantin päättäminen²"

Timanttien kasvattaminen pyynnöstä

Timantit, jotka ovat historiallisesti vain luonnonkiviä, valmistetaan nykyään enimmäkseen raakahiilestä. Tämä prosessi vaatii kuitenkin erittäin voimakasta lämpöä ja painetta, joten sitä ei voida yhdistää muihin materiaaleihin, kuten tietokonesiruissa käytettävään piiin. Tätä varten tarvitaan matalan lämpötilan timanttien valmistusta.

Joitakin menetelmiä on jo tutkittu, kuten asetyleenin ja tekniikan, jota kutsutaan "plasma-tehostetuksi kemialliseksi höyrysaostukseksi", käyttö.

Lähde: PPPL

Sen ongelmana on, että vaikka se voi kasvattaa mikroskooppisia timantteja, se kerää myös paljon nokea, joka voi kasvaa timantin päälle ja estää optiikan, antureiden ja sirujen suorituskykyä. Tähän asti ei ollut selvää, miksi noki muodostui timanttien sijasta.

Goldilocks Lämpötila & Vety

Tutkijat havaitsivat, että on olemassa tarkka lämpötila, jossa prosessi luo timantin. Tämän kriittisen lämpötilan yläpuolella asetyleeni edistää enimmäkseen timanttien kasvua. Tämän kriittisen lämpötilan alapuolella se edistää enimmäkseen noen kasvua.

Lähde: Diamond and Related Materials

Toinen tekijä on vetyatomien aktiivisuus lähellä timantin pintaa. Kun pinnan lähellä on enemmän vetyä, enemmän timantteja voi muodostua jopa alhaisemmissa lämpötiloissa.

"Vetyatomit eivät ruokkii timanttien kasvua suoraan, mutta vedyn dissosiaatio eli hajoaminen on ratkaisevan tärkeää metaanin muuttamisessa asetyleeniksi ja atomivedyn kuljettamisessa timanttien kasvupinnalle. Nämä molemmat ovat tärkeitä timanttien kasvulle.

Alexander Khrabry – Princetonin yliopiston tutkija

Yhdessä nämä näkemykset timanttien muodostumisesta avaavat tien luoda luotettavasti mikroskooppisia timantteja suoraan piipuolijohteiden sisään vahingoittamatta muuta materiaalia korkeissa lämpötiloissa tai muodostamatta ei-toivottua nokea.

Kvanttitimantit

Yksinkertaisilla vain hiileillä valmistetuilla timanteilla voisi olla joitain sovelluksia optiikassa ja antureissa. Mutta kehittyneemmät timanttien muodot voisivat olla vieläkin hyödyllisempiä.

Esimerkiksi kvanttimanteja valmistetaan, kun osa timantin muodostavista hiiliatomeista korvataan muilla atomeilla, kuten esimerkiksi typellä, ja joitain muita hiiliatomeja vain poistetaan. Tämä luo niin sanotun typpivakanssin (NV).

Tällaisessa timantissa sisällä olevat elektronit alkavat noudattaa kvanttisääntöjä klassisen fysiikan sijaan, jota voitaisiin käyttää kubittien rakentamiseen.

”Tämän materiaalin elektronit eivät toimi klassisen fysiikan lakien mukaisesti niin kuin raskaammat hiukkaset. Sen sijaan, kuten kaikki elektronit, ne käyttäytyvät kvanttifysiikan lakien mukaan.

Alastair Stacey - PPPL:n johtava tutkimusfyysikko ja kvanttimateriaalien ja -laitteiden johtaja.

Timanttikeittokirjan viimeistely

Tähän asti menetelmä plasman käyttämiseksi timanttien luomiseen on ollut kaukana täsmällisestä. Se käytti paljon yritystä ja erehdystä, koska teoriaa siitä, mitä timantin pinnalla tarkalleen tapahtuu, ei ymmärretä hyvin.

Ihannetapauksessa plasmaa voitaisiin käyttää myös lisäämään yksiatominen vetykerros timantin päälle. Mutta kvanttimanttien tapauksessa korkea lämpötila tuhoaisi typen vapautumisen.

Joten tutkijat rakensivat monimutkaisen analyyttisen järjestelmän (käyttämällä fotoluminesenssispektroskopiaa) arvioidakseen, mikä toimii parhaiten vetykerroksen luomisessa NV-timanteille.

Lähde: Advanced Materials Interface

He havaitsivat, että kahta uutta menetelmää voitaisiin käyttää, vaikka jokaisessa on toistaiseksi omat haittapuolensa.

Lähde: Advanced Materials Interface

• Muodostava kaasuhehkutus, joka käyttää vetymolekyylien ja typpikaasun seosta, toimi, mutta vaati erittäin puhdasta vetykaasua ilman happea, mikä on vaikea saavuttaa matalissa lämpötiloissa.
• Kylmä plasman lopetus, joka käyttää vetyplasmaa epäsuorasti, ei vahingoittanut NV-keskusta ja oli helpompi toteuttaa, mutta loi timantille heikomman laadun vetykerroksen.

"Tämä korostaa pintalaadun ja NV-ominaisuuksien välistä kompromissia, joka on tasapainotettava tulevissa sovelluksissa. Esimerkiksi biomolekyylisen tunnistusprojekteissa on ehdottoman tärkeää, että NV:t säilytetään lähellä pintoja.

Daniel McCloskey - Rtutkija Melbournen yliopistossa. 

Kaiken kaikkiaan nämä löydöt avaavat tien muutamille uusille, aiemmin koville tai mahdottomille sovelluksille timanteille:

• Suora tuotanto piipuolijohteisiin integroimalla timantit suoraan piireihin, antureihin ja transistoreihin.
• Kvanttitimanttien tuotanto toiminnallisiksi kubiiteiksi, mukaan lukien hienosäädetty vetykerros timantin pinnalla.

Uudet kvanttitietokoneet

Kvanttitietokoneita on tähän mennessä rakennettu puolijohdeteollisuuden perinteisestä valmistustaktiikasta johtuvista tunnetuista menetelmistä. Mutta koska kvanttiteknologia eroaa niin tavallisesta tietojenkäsittelystä, on järkevää, että uudet materiaalit sopivat todennäköisesti paremmin kuin perinteinen pii.

Tämä voi sisältää timantteja, jotka mahdollistavat kvanttilaskennan yhden päivän ajan huoneenlämmössä, mikä ei ainoastaan ​​vähentäisi kustannuksia rajusti, vaan auttaisi myös luomaan suurempia kvanttitietokoneita.

"Yli 50 kubitin kvanttisimulaattorin ja huoneenlämpöisen kvanttitietokoneen tekeminen avaa oven skaalaamiseen suuremmalle kubittimäärälle, kuten 100 tai 1000, mikä olisi pelin vaihtaja esimerkiksi kryptografiassa, tekoälyssä ja materiaalitiede.

Tämä ominaisuus antaisi tutkijoille mahdollisuuden löytää hengenpelastuslääkkeitä nopeammin, ratkaista vaikeita optimointiongelmia tai kehittää energiaa säästäviä tekniikoita tehokkaammin."

Martin Koppenhöfer - Projektikoordinaattori paikassa SPINUS

Timanttien lisäksi muita uusia innovatiivisia materiaaleja, kuten esim Alumiininitridistä valmistettuja pietsosähköisiä nanomekaanisia resonaattoreita voitaisiin käyttää myös kvanttiantureissa tai kvanttimuuntimissa.

Kaiken kaikkiaan on todennäköistä, että kehittyneet uudet materiaalit ovat vankka vaihtoehto piille ja työntävät kvanttilaskennan lupauksen paljon pidemmälle kuin voisimme tänään arvata.

Investointi kvanttilaskentaan

Kvanttilaskenta on vasta alussa, mutta se on jo kiinnittänyt jokaisen suuren laskentayrityksen huomion, joka on tähän mennessä johtanut piivallankumoukseen.

Se saattaa ikuisesti rajoittua kapeisiin sovelluksiin enemmän kuin tietokoneissamme, mutta siitä voi silti tulla tärkeä fysiikan, biologian, materiaalitieteiden, kryptografian ja sotilassovellusten mallintamisessa.

Voit sijoittaa kvanttilaskentayrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä arvopaperit.io, suosituksemme parhaille välittäjille USA: ssa, Kanada, Australia, UK, samoin kuin monissa muissa maissa.

Jos et ole kiinnostunut valitsemaan tiettyjä yrityksiä, voit myös tutkia ETF:itä, kuten ProShares Nanotechnology ETF (TINY) tai WisdomTree Cloud Computing Fund -rahasto (WCLD) joka tarjoaa monipuolisemman altistumisen kvanttilaskenta- ja nanoteknologiaosakkeiden hyödyntämiseksi.

Tai voit katsoa luetteloamme "10 parasta nanoteknologiaosaketta”Ja "5 parasta kvanttilaskentayritystä".

Kvanttilaskentayritykset

International Business Machines Corporation (IBM) oli johtava voima ensimmäisen keskustietokoneen kaupallistamisessa.

Se on kuitenkin viime aikoina jäänyt jälkeen muiden teknologiajättien, kuten Applen, tuotantomäärästä (AAPL ), TSMC (TSM )ja NVIDIA (NVDA )

Se on kuitenkin kvanttitietokoneiden kehityksen kärjessä. Se kehitti esimerkiksi 127 kubitin "Eagle" -kvanttitietokoneensa, jota seurasi 433 kubitin järjestelmä, joka tunnetaan nimellä "Osprey".

Ja tämä on nyt jota seuraa "Condor", 1,121 XNUMX suprajohtava kubitin kvanttiprosessori perustuu ristiresonanssiporttiteknologiaan yhdessä "Heronin" kanssa, kvanttiprosessorin kanssa aivan kentän reunalla.

Kvanttitietokoneet voisivat hyötyä parannetusta magneettisesta ohjauksesta, mikä parantaa kubitin vakautta ja luotettavuutta, jotka ovat olennaisia ​​prosessointitehon kannalta.

Samoin edistyminen suprajohtimissa, jotka perustuvat hallittuihin magneettikenttiin, voivat johtaa tehokkaampiin energiansiirto- ja jäähdytysjärjestelmiin, erityisesti korkeammissa lämpötiloissa.

IBM on mukana useimmissa muissa tietotekniikan ja puolijohdeteollisuuden huippuinnovaatioissa. Näitä ovat mm johtavia orgaanisia aineita, neuromorfinen laskenta, fotoniikan, Jne

IBM:stä on jossain määrin tullut "patenttiyhtiö", jolla on asiantuntemusta uusien laskentamenetelmien kehittämisessä ja niiden lisensoimisessa teollisuudelle.

Toistaiseksi näyttää erittäin päättäväiseltä pitää hallussaan mahdollisimman monta avainpatenttia kaikissa ei-piin laskentamenetelmissä, mitä se voi saada, mikä jäljittelee sen menneisyyttä, kun se on myötävaikuttanut massiivisesti puolijohdeteollisuuden kehittämiseen nykyisen jättiläisenä.

Tutkimusviite:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Pintareaktioiden kvanttikemiallinen malli ja timanttien kasvun kineettinen malli: CHXNUMX-radikaalien ja CXNUMXHXNUMX-molekyylien vaikutukset matalan lämpötilan CVD:ssä. Timantti ja vastaavat materiaalit, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP ja Kaganovich, ID (2024). Menetelmät värikeskuksen säilyttämiseksi timantin vetypäätteellä. Edistyneet materiaalirajapinnat, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}