I diamanti potrebbero sbloccare qubit migliorati per il calcolo quantistico?

Utilizzare il diamante per il calcolo quantistico

Contrariamente ai computer normali che usano bit (0 & 1), i computer quantistici usano “qubit”. I qubit possono esistere in più stati simultaneamente grazie a due proprietà quantistiche: sovrapposizione e intreccio.

• Sovrapposizione permette ai qubit di rappresentare sia 0 sia 1 allo stesso tempo, aumentando esponenzialmente i dati che possono essere elaborati rispetto ai bit classici.
• Intreccio collega i qubit in modo tale che lo stato di un qubit possa influenzare istantaneamente un altro, anche a grandi distanze.

Queste proprietà consentono ai QPU di risolvere problemi altamente complessi molto più velocemente dei computer classici esplorando soluzioni multiple simultaneamente.

“Il vantaggio dei qubit è che possono contenere molte più informazioni rispetto ai bit tradizionali. Questo significa che possono anche fornirci molte più informazioni sul loro ambiente, rendendoli estremamente utili come sensori, per esempio.”

Alastair Stacey‑ Managing principal research physicist and head of quantum materials and devices at PPPL.

Tuttavia, i qubit sono estremamente fragili e misurarne le proprietà non è un compito facile.

Che cosa succederebbe se invece ci affidassimo a uno dei materiali più duri sulla Terra – il diamante – per svolgere compiti nel nostro computer più avanzato? Questa è la visione dei ricercatori dell’Università di Princeton, che hanno pubblicato recentemente su Diamond And Related Materials, con il titolo Modello di chimica quantistica delle reazioni di superficie e modello cinetico della crescita del diamante: effetti dei radicali CH₃ e delle molecole C₂H₂ a basse temperature CVD¹.

Questo si collega ai lavori di altri ricercatori dell’Università di Melbourne e dell’Università di Princeton, pubblicati con il titolo “Metodi per la preservazione dei centri colore mediante terminazione a idrogeno del diamante”.

Crescita di diamanti su richiesta

I diamanti, storicamente solo una pietra naturale, oggi sono per lo più prodotti a partire da carbonio grezzo. Tuttavia, questo processo richiede calore e pressione molto intensi, perciò non può essere combinato con altri materiali come il silicio usato nei chip dei computer. Per questo è necessaria una produzione di diamanti a bassa temperatura.

Alcuni metodi sono già stati esplorati, come l’uso dell’acetilene e una tecnica chiamata “deposizione chimica da vapore potenziata da plasma”.

Fonte: PPPL

Il problema è che, sebbene possa far crescere diamanti microscopici, deposita anche molta fuliggine, che può accumularsi sopra il diamante e ostacolare le prestazioni per ottica, sensori e chip. Fino a poco tempo fa non era chiaro perché si formasse fuliggine invece dei diamanti.

Temperatura “Goldilocks” & Idrogeno

I ricercatori hanno scoperto che esiste una temperatura precisa alla quale il processo crea un diamante. Sopra questa temperatura critica, l’acetilene contribuisce principalmente alla crescita del diamante. Sotto questa temperatura critica, contribuisce principalmente alla crescita della fuliggine.

Fonte: Diamond And Related Materials

Un altro fattore è l’attività degli atomi di idrogeno vicino alla superficie del diamante. Con più idrogeno vicino alla superficie, possono formarsi più diamanti, anche a temperature più basse.

“Gli atomi di idrogeno non alimentano direttamente la crescita del diamante, ma la dissociazione dell’idrogeno, o la sua rottura, è fondamentale per trasformare il metano in acetilene e per trasportare l’idrogeno atomico alla superficie di crescita del diamante. Entrambi sono importanti per la crescita del diamante,”

Alexander Khrabry – Princeton University Research Scholar

Insieme, queste intuizioni sulla formazione del diamante aprono la strada per creare in modo affidabile diamanti microscopici direttamente all’interno dei semiconduttori di silicio senza danneggiare il resto del materiale con alte temperature o creare fuliggine indesiderata.

Diamanti quantistici

I diamanti semplici fatti solo di carbonio potrebbero avere alcune applicazioni in ottica e sensori. Ma forme più avanzate di diamante potrebbero essere ancora più utili.

Ad esempio, i diamanti quantistici si ottengono quando alcuni atomi di carbonio del diamante vengono sostituiti da altri atomi, come ad esempio l’azoto, e alcuni altri atomi di carbonio vengono semplicemente rimossi. Questo crea quello che si chiama un “vacancy di azoto” (NV).

In un tale diamante, gli elettroni al suo interno iniziano a seguire le regole quantistiche invece della fisica classica, il che potrebbe essere usato per costruire qubit.

“Gli elettroni in questo materiale non si comportano secondo le leggi della fisica classica come fanno le particelle più pesanti. Invece, come tutti gli elettroni, si comportano secondo le leggi della fisica quantistica.”

Alastair Stacey‑ Managing principal research physicist and head of quantum materials and devices at PPPL.

Perfezionare il “cookbook” del diamante

Finora, il metodo di usare il plasma per creare diamanti è stato molto impreciso. Si basava su molto tentativi ed errori, poiché la teoria di ciò che avviene esattamente sulla superficie del diamante non è ben compresa.

Idealmente, il plasma potrebbe anche essere usato per aggiungere uno strato mono‑atomico di idrogeno sopra il diamante. Ma nel caso dei diamanti quantistici, l’alta temperatura distruggerebbe il vacancy di azoto.

Quindi i ricercatori hanno costruito un elaborato sistema analitico (usando la spettroscopia di fotoluminescenza) per valutare cosa funziona meglio per creare uno strato di idrogeno sui diamanti NV.

Fonte: Advanced Materials Interface

Hanno scoperto che 2 nuovi metodi potrebbero essere usati, sebbene ciascuno abbia i propri svantaggi per ora.

Fonte: Advanced Materials Interface

• Annealing con gas di formazione, che utilizza una miscela di molecole di idrogeno e gas azoto, ha funzionato ma richiedeva idrogeno molto puro senza ossigeno, cosa difficile da ottenere a basse temperature.
• Terminazione con plasma freddo, che utilizza plasma di idrogeno in modo indiretto, non ha danneggiato il centro NV ed è stato più facile da implementare, ma ha creato uno strato di idrogeno di qualità inferiore sul diamante.

“Ciò evidenzia il compromesso tra qualità della superficie e proprietà NV che dovranno essere bilanciate nelle future applicazioni. Per esempio, nei progetti di rilevamento biomolecolare, è assolutamente cruciale che gli NV siano preservati vicino alle superfici.”

Daniel McCloskey – Ricercatore presso l’Università di Melbourne. 

Nel complesso, queste scoperte aprono la strada a alcune nuove applicazioni, prima difficili o impossibili, per i diamanti:

• Produzione diretta su semiconduttori di silicio, integrando i diamanti direttamente nei circuiti, sensori e transistor.
• Produzione di diamanti quantistici in qubit funzionali, inclusa una sottile e finemente sintonizzata superficie di idrogeno sul diamante.

Nuovi computer quantistici

Finora i computer quantistici sono stati costruiti con metodi noti derivanti dalle tradizionali tattiche di produzione dell’industria dei semiconduttori. Ma con la tecnologia quantistica così diversa dal calcolo normale, ha senso che nuovi materiali siano più adatti rispetto al tradizionale silicio.

Ciò può includere i diamanti, per un giorno permettendo al calcolo quantistico di funzionare a temperatura ambiente, qualcosa che non solo ridurrebbe drasticamente i costi ma aiuterebbe anche a creare computer quantistici più grandi.

“Realizzare un simulatore quantistico con più di 50 qubit e un computer quantistico a temperatura ambiente apre la porta a scalare a un numero più elevato di qubit, come 100 o 1000, il che sarebbe rivoluzionario per settori come la crittografia, l’IA e la scienza dei materiali.

Questa capacità permetterebbe agli scienziati di scoprire farmaci salvavita più rapidamente, risolvere problemi di ottimizzazione difficili o sviluppare tecnologie di risparmio energetico in modo più efficiente.

Martin Koppenhöfer – Coordinatore di progetto presso SPINUS

Oltre ai diamanti, altri nuovi materiali innovativi come, ad esempio, risonatori nanomeccanici piezoelettrici in nitruro di alluminio che potrebbero essere usati per sensori quantistici o trasduttori quantistici.

Nel complesso, è probabile che materiali avanzati rappresentino una solida alternativa al silicio e spingano la promessa del calcolo quantistico molto più oltre di quanto possiamo immaginare oggi.

Investire nel calcolo quantistico

Il calcolo quantistico è ancora agli inizi ma ha già attirato l’attenzione di tutte le grandi aziende informatiche che hanno guidato la rivoluzione del silicio finora.

Potrebbe rimanere limitato a nicchie applicative più che entrare nei nostri computer, ma potrebbe comunque diventare strumentale nella modellazione di fisica, biologia, scienze dei materiali, crittografia e applicazioni militari.

Puoi investire in società di calcolo quantistico attraverso molti broker, e qui, su securities.io, trovi le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere società specifiche, puoi anche considerare ETF come il ProShares Nanotechnology ETF (TINY) o il WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) che forniscono un’esposizione più diversificata per capitalizzare su azioni di calcolo quantistico e nanotech.

Oppure puoi consultare la nostra lista dei “Top 10 azioni di nanotecnologia” e “5 migliori società di calcolo quantistico”.

Società di calcolo quantistico

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) è stata la forza trainante dietro la commercializzazione del primo computer mainframe.

Tuttavia, di recente è rimasta indietro in termini di volume di produzione rispetto ad altri giganti tecnologici come Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), e NVIDIA (NVDA )

È, però, in prima linea nello sviluppo dei computer quantistici. Ad esempio, ha sviluppato il suo computer quantistico “Eagle” da 127 qubit, seguito da un sistema da 433 qubit noto come “Osprey”.

E ora è seguito da “Condor”, un processore quantistico superconduttore da 1.121 qubit basato sulla tecnologia del gate cross‑resonance, insieme a “Heron”, un processore quantistico ai confini del campo.

I computer quantistici potrebbero beneficiare di un controllo magnetico migliorato, aumentando la stabilità e l’affidabilità dei qubit, elementi essenziali per la potenza di calcolo.

Allo stesso modo, i progressi nei superconduttori, che dipendono da campi magnetici controllati, potrebbero portare a trasmissioni di energia più efficienti e sistemi di raffreddamento più efficaci, soprattutto a temperature più elevate.

IBM è coinvolta nella maggior parte delle altre innovazioni all’avanguardia nell’informatica e nell’industria dei semiconduttori. Queste includono materiali organici conduttivi, computazione neuromorfica, fotonic, ecc.

In una certa misura, IBM è diventata una “società di brevetti” con esperienza nello sviluppo di nuovi metodi di calcolo e nella loro concessione in licenza all’industria.

Finora sembra molto determinata a detenere quanti più brevetti chiave possibile in tutti i metodi di calcolo non‑silicio, replicando il suo passato successo quando ha contribuito massicciamente allo sviluppo dell’industria dei semiconduttori fino a diventare il gigante che è oggi.

Riferimento allo studio:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Modello di chimica quantistica delle reazioni di superficie e modello cinetico della crescita del diamante: effetti dei radicali CH₃ e delle molecole C₂H₂ a CVD a bassa temperatura. 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). Metodi per la preservazione dei centri colore mediante terminazione a idrogeno del diamante. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}