האם יהלומים יכולים לפתוח קוביטים משופרים עבור מחשוב קוונטי?

שימוש ביהלום עבור מחשוב קוונטי

בניגוד למחשבים רגילים המשתמשים בביטים (0 ו-1), מחשבים קוונטיים משתמשים ב"קווביטים". קוויביטים יכולים להתקיים במספר מצבים בו זמנית הודות לשתי תכונות קוונטיות: חֲפִיפָה ו הסתבכות.

• חֲפִיפָה מאפשר ל-qubits לייצג גם 0 וגם 1 בו-זמנית, ומגדיל באופן אקספוננציאלי את הנתונים שניתן לעבד בהשוואה לביטים קלאסיים.
• הסתבכות מקשר קיוביטים בצורה כזו שמצבו של קיוביט אחד יכול להשפיע באופן מיידי על אחר, אפילו על פני מרחקים גדולים.

מאפיינים אלה מאפשרים ל-QPUs לפתור בעיות מורכבות ביותר הרבה יותר מהיר ממחשבים קלאסיים על ידי חקר פתרונות מרובים בו זמנית.

"היתרון של qubits הוא שהם יכולים להחזיק הרבה יותר מידע מאשר ביטים רגילים יכולים. זה אומר שהם יכולים גם לתת לנו הרבה יותר מידע על הסביבה שלהם, מה שהופך אותם לבעלי ערך רב כחיישנים, למשל."

Alastair Stacey- פיסיקאי מחקר ראשי ומנהל חומרים ומכשירים קוונטיים ב-PPPL.

עם זאת, קיוביטים הם שבירים ביותר, ומדידת תכונותיהם אינה משימה קלה.

אז מה אם במקום זאת נסמוך על אחד החומרים הקשים עלי אדמות - יהלום - שיבצע משימות במחשב המתקדם ביותר שלנו? זהו החזון של חוקרים מאוניברסיטת פרינסטון, שפרסמו לאחרונה ב-Diamond And Related Materials, תחת הכותרת "מודל כימיה קוונטית של תגובות פני השטח ומודל קינטי של צמיחת יהלומים: השפעות של רדיקלים CH3 ומולקולות C2H2 בטמפרטורות נמוכות CVD¹".

זה מצטרף לעבודותיהם של חוקרים אחרים מאוניברסיטת מלבורן ואוניברסיטת פרינסטון, שפורסמו תחת הכותרת "שיטות לשימור מימן מרכז צבע של יהלום²".

גידול יהלומים לפי דרישה

יהלומים, היסטורית רק אבן טבעית, מיוצרים בעיקר מפחמן גולמי בימינו. עם זאת, תהליך זה דורש חום ולחץ אינטנסיביים מאוד, כך שלא ניתן לשלב אותו עם חומרים אחרים כמו סיליקון המשמש בשבבי מחשב. לשם כך, יש צורך בייצור יהלומים בטמפרטורה נמוכה.

כמה שיטות כבר נחקרו, כמו שימוש באצטילן וטכניקה הנקראת "השקעת אדים כימית משופרת בפלזמה".

מקור: PPPL

הבעיה איתו היא שבעוד שהוא יכול לגדל יהלומים מיקרוסקופיים, הוא גם מפקיד הרבה פיח, שיכול לצמוח על גבי היהלום ולעכב ביצועים של אופטיקה, חיישנים ושבבים. עד כה לא היה ברור מדוע נוצר הפיח במקום יהלומים.

טמפרטורת זהבה ומימן

החוקרים גילו שיש טמפרטורה מדויקת שבה התהליך יוצר יהלום. מעל טמפרטורה קריטית זו, אצטילן תורם בעיקר לצמיחת היהלומים. מתחת לטמפרטורה קריטית זו, הוא תורם בעיקר לצמיחת פיח.

מקור: יהלומים וחומרים נלווים

גורם נוסף הוא פעילותם של אטומי מימן ליד פני היהלום. עם יותר מימן ליד פני השטח, יותר יהלומים יכולים להיווצר, אפילו בטמפרטורות נמוכות יותר.

"אטומי מימן אינם מתדלקים צמיחת יהלומים באופן ישיר, אבל פירוק מימן, או פירוק, הוא חיוני להפיכת מתאן לאצטילן ולהובלת מימן אטומי אל משטח הגידול של היהלום. שניהם חשובים לצמיחת יהלומים",

אלכסנדר חרברי - חוקר מחקר של אוניברסיטת פרינסטון

יחד, התובנות הללו ביצירת יהלומים פותחות את הדרך ליצירת יהלומים מיקרוסקופיים בצורה מהימנה ישירות בתוך מוליכים למחצה סיליקון מבלי לפגוע בשאר החומר בטמפרטורות גבוהות או ליצור פיח לא רצוי.

יהלומי קוונטים

ליהלומים פשוטים המיוצרים רק על פחמן יכולים להיות יישומים מסוימים באופטיקה וחיישנים. אבל צורות מתקדמות יותר של יהלומים יכולות להיות שימושיות אפילו יותר.

לדוגמה, יהלומים קוונטיים נוצרים כאשר חלק מאטומי הפחמן היוצרים את היהלום מוחלפים באטומים אחרים, כמו למשל חנקן, וכמה אטומי פחמן אחרים פשוט מוסרים. זה יוצר מה שנקרא חנקן-ריק (NV).

ביהלום כזה, האלקטרונים שבתוכו מתחילים לעקוב אחר כללי קוונטיים במקום לפיזיקה קלאסית, שניתן להשתמש בה לבניית קיוביטים.

"האלקטרונים בחומר הזה אינם מתנהגים לפי חוקי הפיזיקה הקלאסית כפי שמתנהגים חלקיקים כבדים יותר. במקום זאת, כמו כל האלקטרונים, הם מתנהגים לפי חוקי הפיזיקה הקוונטית".

Alastair Stacey- פיסיקאי מחקר ראשי ומנהל חומרים ומכשירים קוונטיים ב-PPPL.

לשכלל את ספר הבישול היהלום

עד כה, שיטת השימוש בפלזמה ליצירת יהלומים הייתה רחוקה מלהיות מדויקת. הוא השתמש בהרבה ניסוי וטעייה, שכן התיאוריה של מה בדיוק קורה על פני היהלום אינה מובנת היטב.

באופן אידיאלי, ניתן להשתמש בפלזמה גם כדי להוסיף שכבה חד-אטומית של מימן על גבי היהלום. אבל במקרה של יהלומים קוונטיים, הטמפרטורה הגבוהה תהרוס את החנקן הפנוי.

אז החוקרים בנו מערכת אנליטית משוכללת (באמצעות ספקטרוסקופיה פוטו-לומינצנציית) כדי לשפוט מה עובד הכי טוב ליצירת שכבת מימן על יהלומי NV.

מקור: ממשק חומרים מתקדמים

הם גילו שניתן להשתמש ב-2 שיטות חדשות, אם כי לכל אחת יש חסרונות משלה לעת עתה.

מקור: ממשק חומרים מתקדמים

• היווצרות חישול גז, שמשתמשת בתערובת של מולקולות מימן וגז חנקן, עבדה אך דרשה גז מימן טהור מאוד ללא כל חמצן, משהו שקשה להשיג בטמפרטורות נמוכות.
• סיום פלזמה קרה, שמשתמשת בפלסמת מימן בעקיפין, לא פגעה במרכז NV והיה קל יותר ליישום, אך יצרה איכות נמוכה יותר של שכבת מימן על היהלום.

"זה מדגיש את ההחלפה בין איכות פני השטח למאפייני NV שיצטרכו להיות מאוזנים ביישומים עתידיים. לדוגמה, בפרויקטים של חישה ביו-מולקולרית, זה חיוני לחלוטין ש-NVs יישמרו קרוב למשטחים."

דניאל מקלסקי רחוקר באוניברסיטת מלבורן. 

בסך הכל, התגליות הללו פותחות את הדרך לכמה יישומים חדשים, קשים בעבר או בלתי אפשריים ליהלומים:

• ייצור ישיר על מוליכים למחצה סיליקון, שילוב יהלומים ישירות במעגלים, חיישנים וטרנזיסטורים.
• ייצור יהלומים קוונטיים לקיוביטים פונקציונליים, כולל שכבת מימן מכווננת עדינה על פני היהלום.

מחשבים קוונטיים חדשים

מחשבים קוונטיים נבנו עד כה משיטות ידועות הנובעות מטקטיקות הייצור המסורתיות שבהן משתמשים תעשיית המוליכים למחצה. אבל עם טכנולוגיה קוונטית כל כך שונה ממחשוב רגיל, הגיוני שחומרים חדשים כנראה מתאימים יותר מסיליקון מסורתי.

זה יכול לכלול יהלומים, ליום אחד המאפשר ביצוע מחשוב קוונטי בטמפרטורת החדר, דבר שלא רק יוריד עלויות באופן דרסטי אלא גם יעזור ביצירת מחשבים קוונטיים גדולים יותר.

"הכנת סימולטור קוונטי עם יותר מ-50 קיוביטים ומחשב קוונטי בטמפרטורת החדר פותחת את הדלת להגדלה למספר גבוה יותר של קיוביטים, כמו 100 או 1000, שיהווה מחליף משחק עבור תחומים כמו קריפטוגרפיה, AI ו מדעי החומרים.

יכולת זו תאפשר למדענים לגלות תרופות מצילות חיים מהר יותר, לפתור בעיות אופטימיזציה קשות או לפתח טכנולוגיות לחיסכון באנרגיה בצורה יעילה יותר".

מרטין קופנהופר - רכזת פרויקט ב-SPINUS

מלבד יהלומים, חומרים חדשניים נוספים כמו למשל מהודים ננו-מכניים פיזואלקטריים עשויים מאלומיניום ניטריד יכולים לשמש גם עבור חיישנים קוונטיים או מתמרים קוונטיים.

בסך הכל, סביר להניח שחומרים מתקדמים חדשים יהוו אלטרנטיבה מוצקה לסיליקון וידחפו את ההבטחה של מחשוב קוונטי הרבה יותר ממה שיכולנו לנחש היום.

השקעה במחשוב קוונטי

המחשוב הקוונטי רק מתחיל אבל כבר משך את תשומת הלב של כל חברת מחשוב גדולה שהניעה את מהפכת הסיליקון עד כה.

זה יכול להיות מוגבל לנצח ליישומי נישה יותר מאשר מתרחשים במחשבים שלנו, אבל זה עדיין יכול להפוך למכשיר במודליזציה של פיזיקה, ביולוגיה, מדעי החומר, קריפטוגרפיה ויישומים צבאיים.

אתה יכול להשקיע בחברות מחשוב קוונטי דרך ברוקרים רבים, ותוכל למצוא כאן, ב securities.io, ההמלצות שלנו לברוקרים הטובים ביותר ב ארצות הברית, קנדה, אוסטרליה, בריטניה, כמו גם מדינות רבות אחרות.

אם אתה לא מעוניין לבחור חברות ספציפיות, אתה יכול גם לבדוק תעודות סל כמו ProShares Nanotechnology ETF (TINY) או ה קרן מחשוב ענן WisdomTree (WCLD) מה שיספק חשיפה מגוונת יותר כדי לנצל מניות מחשוב קוונטי וננוטק.

או שאתה יכול להסתכל ברשימה שלנו של "10 מניות הננוטכנולוגיה המובילות"ו "5 חברות המחשוב הקוונטי הטובות ביותר".

חברות מחשוב קוונטי

International Business Machines Corporation (IBM) היה הכוח המוביל מאחורי המסחור של מחשב המיינפריים הראשון.

עם זאת, לאחרונה היא נקלעה לפיגור בהיקף הייצור של ענקיות טכנולוגיה אחרות כמו אפל (AAPL ), TSMC (TSM )ו- NVIDIA (NVDA )

עם זאת, הוא נמצא בחזית הפיתוח של מחשבים קוונטיים. לדוגמה, היא פיתחה את המחשב הקוונטי "נשר" בעל 127 קיוביטים, ואחריו מערכת 433 קיוביטים הידועה בשם "Osprey".

וזה עכשיו ואחריו "קונדור", מעבד קוויביט קוונטי בעל מוליכי-על של 1,121 מבוסס על טכנולוגיית שערים צולבים, יחד עם "Heron", מעבד קוונטי ממש בקצה התחום.

מחשבים קוונטיים יכולים להפיק תועלת מבקרה מגנטית משופרת, שיפור היציבות והאמינות של קיוביט, החיוניות לכוח העיבוד.

באופן דומה, התקדמות במוליכי-על, המסתמכים על שדות מגנטיים מבוקרים, עשויה להוביל למערכות העברת אנרגיה וקירור יעילות יותר, במיוחד בטמפרטורות גבוהות יותר.

יבמ מעורבת ברוב החידושים המתקדמים האחרים בתחום המחשוב ותעשיית המוליכים למחצה. אלה כוללים הולכת חומרים אורגניים, מחשוב נוירומורפי, פוטוניקס, וכו '

במידה מסוימת, IBM הפכה ל"חברת פטנטים" עם מומחיות בפיתוח שיטות מחשוב חדשות ורישוי לתעשייה.

עד כה, נראה כי הוא נחוש בדעתו להחזיק בכמה שיותר פטנטים מרכזיים בכל שיטות המחשוב שאינן סיליקון שהוא יכול לקבל, משכפל את הצלחתו בעבר כאשר הוא תורם באופן מסיבי לפיתוח תעשיית המוליכים למחצה לענק שהיא כיום.

התייחסות למחקר:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). מודל כימיה קוונטית של תגובות פני השטח ומודל קינטי של צמיחת יהלומים: השפעות של רדיקלים CH₃ ומולקולות C₂H₂ ב-CVD בטמפרטורה נמוכה. יהלומים וחומרים קשורים, 149 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP, & Kaganovich, ID (2024). שיטות לשימור מרכז צבעוני מימן של יהלום. ממשקי חומרים מתקדמים, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}