Bisakah Berlian Membuka Qubit yang Lebih Baik untuk Komputasi Kuantum?

Menggunakan Berlian untuk Komputasi Kuantum

Berbeda dengan komputer biasa yang menggunakan bit (0 & 1), komputer kuantum menggunakan “qubit”. Qubit dapat berada dalam beberapa status secara bersamaan berkat dua sifat kuantum: superposisi dan belitan.

• Superposisi memungkinkan qubit untuk mewakili 0 dan 1 pada saat yang sama, secara eksponensial meningkatkan data yang dapat diproses dibandingkan dengan bit klasik.
• Belitan menghubungkan qubit sedemikian rupa sehingga status satu qubit dapat langsung memengaruhi qubit lain, bahkan pada jarak yang jauh.

Properti ini memungkinkan QPU untuk memecahkan masalah yang sangat rumit jauh lebih cepat daripada komputer klasik dengan menjelajahi beberapa solusi secara bersamaan.

"Keunggulan qubit adalah dapat menyimpan lebih banyak informasi daripada bit biasa. Ini berarti qubit juga dapat memberi kita lebih banyak informasi tentang lingkungannya, sehingga menjadikannya sangat berharga sebagai sensor, misalnya."

Alastair Stacey- Kepala fisikawan riset dan kepala material dan perangkat kuantum di PPPL.

Namun, qubit sangat rapuh, dan mengukur propertinya bukanlah tugas mudah.

Jadi bagaimana jika kita mengandalkan salah satu material terkeras di bumi – berlian – untuk menjalankan tugas di komputer kita yang paling canggih? Ini adalah visi para peneliti di Universitas Princeton, yang baru-baru ini menerbitkan di Diamond And Related Materials, dengan judul “Model kimia kuantum reaksi permukaan dan model kinetik pertumbuhan berlian: Efek radikal CH3 dan molekul C2H2 pada suhu rendah CVD¹".

Hal ini bergabung dengan karya peneliti lain di Universitas Melbourne dan Universitas Princeton, yang diterbitkan dengan judul “Metode untuk Pelestarian Pusat Warna dengan Terminasi Hidrogen pada Berlian². "

Menumbuhkan Berlian Sesuai Permintaan

Berlian, yang dulunya hanya berupa batu alam, kini sebagian besar dibuat dari karbon mentah. Namun, proses ini memerlukan panas dan tekanan yang sangat tinggi, sehingga tidak dapat dipadukan dengan bahan lain seperti silikon yang digunakan dalam chip komputer. Untuk itu, diperlukan pembuatan berlian pada suhu rendah.

Beberapa metode telah dieksplorasi, seperti penggunaan asetilena dan teknik yang disebut “deposisi uap kimia dengan peningkatan plasma”.

Sumber: PPPL

Masalahnya adalah meskipun dapat menumbuhkan berlian mikroskopis, ia juga menghasilkan banyak jelaga, yang dapat tumbuh di atas berlian dan menghambat kinerja optik, sensor, dan chip. Hingga saat ini belum jelas mengapa jelaga yang terbentuk, bukan berlian.

Suhu Goldilocks & Hidrogen

Para peneliti menemukan bahwa ada suhu tertentu yang membuat proses tersebut menghasilkan berlian. Di atas suhu kritis ini, asetilena memberikan kontribusi terbesar terhadap pertumbuhan berlian. Di bawah suhu kritis ini, asetilena memberikan kontribusi terbesar terhadap pertumbuhan jelaga.

Sumber: Berlian dan Material Terkait

Faktor lainnya adalah aktivitas atom hidrogen di dekat permukaan berlian. Dengan lebih banyak hidrogen di dekat permukaan, lebih banyak berlian dapat terbentuk, bahkan pada suhu yang lebih rendah.

“Atom hidrogen tidak secara langsung memicu pertumbuhan berlian, tetapi disosiasi atau pemecahan hidrogen sangat penting untuk mengubah metana menjadi asetilena dan mengangkut atom hidrogen ke permukaan pertumbuhan berlian. Keduanya penting untuk pertumbuhan berlian,”

Alexander Khrabry – Peneliti Universitas Princeton

Bersama-sama, wawasan dalam pembentukan berlian ini membuka jalan untuk menciptakan berlian mikroskopis secara andal langsung di dalam semikonduktor silikon tanpa merusak bahan lainnya dengan suhu tinggi atau menciptakan jelaga yang tidak diinginkan.

Berlian Kuantum

Berlian sederhana yang dibuat hanya dari karbon dapat memiliki beberapa aplikasi dalam bidang optik dan sensor. Namun bentuk berlian yang lebih maju bahkan dapat lebih bermanfaat.

Misalnya, berlian kuantum terbentuk ketika beberapa atom karbon yang membentuk berlian digantikan oleh atom lain, seperti misalnya nitrogen, dan beberapa atom karbon lainnya dihilangkan. Hal ini menciptakan apa yang disebut nitrogen-lowongan (NV).

Dalam berlian seperti itu, elektron di dalamnya mulai mengikuti aturan kuantum, bukan fisika klasik, yang dapat digunakan untuk membangun qubit.

“Elektron dalam material ini tidak berperilaku sesuai hukum fisika klasik seperti partikel yang lebih berat. Sebaliknya, seperti semua elektron, mereka berperilaku sesuai hukum fisika kuantum.”

Alastair Stacey- Kepala fisikawan riset dan kepala material dan perangkat kuantum di PPPL.

Menyempurnakan Buku Resep Berlian

Hingga saat ini, metode penggunaan plasma untuk menciptakan berlian masih jauh dari kata akurat. Metode ini menggunakan banyak percobaan dan kesalahan, karena teori tentang apa yang sebenarnya terjadi di permukaan berlian belum dipahami dengan baik.

Idealnya, plasma juga dapat digunakan untuk menambahkan lapisan monoatomik hidrogen di atas berlian. Namun dalam kasus berlian kuantum, suhu tinggi akan menghancurkan kekosongan nitrogen.

Jadi para peneliti membangun sistem analitis yang rumit (menggunakan spektroskopi fotoluminesensi) untuk menilai apa yang paling baik untuk menciptakan lapisan hidrogen pada berlian NV.

Sumber: Antarmuka Material Lanjutan

Mereka menemukan 2 metode baru dapat digunakan, meskipun masing-masing memiliki kekurangannya sendiri untuk saat ini.

Sumber: Antarmuka Material Lanjutan

• Pembentukan gas anil, yang menggunakan campuran molekul hidrogen dan gas nitrogen, berhasil tetapi membutuhkan gas hidrogen yang sangat murni tanpa oksigen, sesuatu yang sulit dicapai pada suhu rendah.
• Penghentian plasma dingin, yang menggunakan plasma hidrogen secara tidak langsung, tidak merusak pusat NV dan lebih mudah diterapkan, tetapi menciptakan lapisan hidrogen berkualitas rendah pada berlian.

"Hal ini menyoroti trade-off antara kualitas permukaan dan sifat NV yang harus diseimbangkan dalam aplikasi di masa mendatang. Misalnya, dalam proyek penginderaan biomolekuler, sangat penting bahwa NV dipertahankan dekat dengan permukaan."

Daniel McCloskey - Rpeneliti di Universitas Melbourne. 

Secara keseluruhan, penemuan ini membuka jalan bagi beberapa aplikasi baru yang sebelumnya sulit atau mustahil bagi berlian:

• Produksi langsung ke semikonduktor silikon, mengintegrasikan berlian langsung ke dalam sirkuit, sensor, dan transistor.
• Produksi berlian kuantum menjadi qubit fungsional, termasuk lapisan hidrogen yang disetel halus pada permukaan berlian.

Komputer Kuantum Baru

Komputer kuantum sejauh ini dibangun dari metode-metode yang dikenal yang berasal dari taktik manufaktur tradisional yang digunakan oleh industri semikonduktor. Namun, dengan teknologi kuantum yang sangat berbeda dari komputasi normal, masuk akal jika material baru kemungkinan lebih cocok daripada silikon tradisional.

Ini dapat mencakup berlian, yang selama satu hari memungkinkan komputasi kuantum dilakukan pada suhu ruangan, sesuatu yang tidak hanya akan menurunkan biaya secara drastis tetapi juga membantu dalam menciptakan komputer kuantum yang lebih besar.

“Membuat simulator kuantum dengan lebih dari 50 qubit dan komputer kuantum suhu ruangan membuka pintu untuk peningkatan skala ke jumlah qubit yang lebih tinggi, seperti 100 atau 1000, yang akan menjadi pengubah permainan untuk bidang-bidang seperti kriptografi, AI, dan ilmu material.

Kemampuan ini akan memungkinkan para ilmuwan menemukan obat-obatan yang dapat menyelamatkan nyawa dengan lebih cepat, memecahkan masalah optimasi yang sulit, atau mengembangkan teknologi hemat energi dengan lebih efisien.”

Martin Koppenhofer - Koordinator proyek di SPINUS

Selain berlian, ada bahan inovatif baru lainnya seperti misalnya resonator nanomekanis piezoelektrik yang terbuat dari aluminium nitrida juga dapat digunakan untuk sensor kuantum atau transduser kuantum.

Secara keseluruhan, kemungkinan besar material baru yang canggih akan menjadi alternatif yang solid untuk silikon dan mendorong janji komputasi kuantum lebih jauh dari yang dapat kita duga saat ini.

Berinvestasi dalam Komputasi Kuantum

Komputasi kuantum baru saja dimulai tetapi telah menarik perhatian setiap perusahaan komputasi besar yang telah mendorong revolusi silikon sejauh ini.

Mungkin selamanya ia akan terbatas pada aplikasi khusus yang tidak hanya terjadi di komputer kita, tetapi ia tetap dapat berperan penting dalam pemodelan fisika, biologi, ilmu material, kriptografi, dan aplikasi militer.

Anda dapat berinvestasi di perusahaan komputasi kuantum melalui banyak broker, dan Anda dapat menemukannya di sini, di sekuritas.io, rekomendasi kami untuk broker terbaik di Amerika Serikat, Kanada, Australia, Inggris, serta banyak negara lainnya.

Jika Anda tidak tertarik memilih perusahaan tertentu, Anda juga dapat melihat ETF seperti ProShares Nanoteknologi ETF (TINY) atau Dana Komputasi Awan WisdomTree (WCLD) yang akan memberikan eksposur yang lebih terdiversifikasi untuk memanfaatkan saham komputasi kuantum & nanoteknologi.

Atau Anda dapat melihat daftar “10 Saham Nanoteknologi Teratas" Dan “5 Perusahaan Komputasi Kuantum Terbaik”.

Perusahaan Komputasi Kuantum

International Business Machines Corporation (IBM) merupakan kekuatan terdepan di balik komersialisasi komputer mainframe pertama.

Namun, baru-baru ini perusahaan ini tertinggal dalam volume produksi dibandingkan raksasa teknologi lainnya seperti Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), dan NVIDIA (NVDA )

Namun, ia berada di garis depan pengembangan komputer kuantum. Misalnya, mereka mengembangkan komputer kuantum “Eagle” 127-qubit, yang diikuti oleh sistem 433-qubit yang dikenal sebagai “Osprey.”

Dan ini sekarang diikuti oleh “Condor”, prosesor kuantum qubit superkonduktor 1,121 berdasarkan teknologi gerbang resonansi silang, bersama dengan “Heron”, prosesor kuantum yang paling canggih.

Komputer kuantum dapat memperoleh manfaat dari peningkatan kontrol magnetik, yang meningkatkan stabilitas dan keandalan qubit, yang penting untuk daya pemrosesan.

Demikian pula, kemajuan dalam superkonduktor, yang mengandalkan medan magnet terkendali, dapat menghasilkan transmisi energi dan sistem pendinginan yang lebih efisien, terutama pada suhu yang lebih tinggi.

IBM terlibat dalam sebagian besar inovasi mutakhir lainnya dalam komputasi dan industri semikonduktor. Ini termasuk penghantar bahan organik, komputasi neuromorfik, Photonics, Dll

Sampai batas tertentu, IBM telah menjadi “perusahaan paten” dengan keahlian dalam mengembangkan metode komputasi baru dan melisensikannya kepada industri.

Sejauh ini, tampaknya mereka sangat bertekad untuk memegang sebanyak mungkin paten utama dalam semua metode komputasi non-silikon yang bisa mereka peroleh, mereplikasi kesuksesan masa lalu mereka ketika berkontribusi besar dalam mengembangkan industri semikonduktor menjadi raksasa seperti sekarang ini.

Referensi Studi:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Model kimia kuantum reaksi permukaan dan model kinetik pertumbuhan berlian: Efek radikal CH₃ dan molekul C₂H₂ pada CVD suhu rendah. Berlian dan Material Terkait, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP, & Kaganovich, ID (2024). Metode untuk mempertahankan pusat warna dengan terminasi hidrogen pada berlian. Antarmuka Material Lanjutan, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}