다이아몬드가 양자 컴퓨팅을 위한 큐비트를 개선하는 데 도움이 될 수 있을까?

양자 컴퓨팅을 위한 다이아몬드 사용

비트(0 & 1)를 사용하는 일반 컴퓨터와 달리 양자 컴퓨터는 "큐비트"를 사용합니다. 큐비트는 두 가지 양자 속성 덕분에 동시에 여러 상태로 존재할 수 있습니다. 위에 놓기   얽히게 함.

• 위에 놓기 큐비트가 0과 1을 동시에 표현할 수 있게 되면서, 기존 비트에 비해 처리할 수 있는 데이터가 기하급수적으로 늘어납니다.
• 녹채 큐비트를 연결하여, 한 큐비트의 상태가 매우 먼 거리에 있어도 다른 큐비트에 즉시 영향을 미칠 수 있도록 합니다.

이러한 속성으로 인해 QPU는 매우 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다. 여러 솔루션을 동시에 탐색하여 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠릅니다.

"큐비트의 장점은 일반 비트보다 훨씬 더 많은 정보를 저장할 수 있다는 것입니다. 즉, 큐비트는 환경에 대한 훨씬 더 많은 정보를 제공할 수 있으므로 예를 들어 센서로서 매우 귀중합니다."

알리스테어 스테이시- PPPL의 수석 연구 물리학자이자 양자 물질 및 소자 부문 책임자.

그러나 큐비트는 매우 취약하며, 그 속성을 측정하는 것은 쉬운 일이 아닙니다.

그렇다면 우리가 지구상에서 가장 단단한 재료 중 하나인 다이아몬드를 대신 사용하여 가장 진보된 컴퓨터에서 작업을 수행한다면 어떨까요? 이는 프린스턴 대학의 연구자들이 최근 Diamond And Related Materials에 "표면 반응의 양자화학 모델과 다이아몬드 성장의 운동 모델: 저온 CVD에서 CH3 라디칼과 C2H2 분자의 효과¹".

이것은 멜버른 대학교와 프린스턴 대학교의 다른 연구자들이 "라는 제목으로 출판한 작업에 합류합니다.다이아몬드의 수소 종결을 보존하는 색상 중심 방법². "

수요에 따른 다이아몬드 재배

다이아몬드는 역사적으로 천연석에 불과했지만, 요즘은 대부분 탄소로 제조됩니다. 그러나 이 공정에는 매우 강렬한 열과 압력이 필요하므로 컴퓨터 칩에 사용되는 실리콘과 같은 다른 재료와 결합할 수 없습니다. 이를 위해 저온 다이아몬드 제조가 필요합니다.

아세틸렌을 사용하는 방법이나 "플라스마 강화 화학 기상 증착"이라고 불리는 기술을 사용하는 방법 등 일부 방법은 이미 연구되었습니다.

출처: PPPL

문제는 미세한 다이아몬드를 성장시킬 수 있지만, 다이아몬드 위에 자라서 광학, 센서, 칩의 성능을 저해할 수 있는 많은 그을음을 퇴적시킨다는 것입니다. 지금까지 다이아몬드 대신 그을음이 형성되는 이유는 명확하지 않았습니다.

골디락스 온도와 수소

연구자들은 이 공정이 다이아몬드를 만드는 정확한 온도가 있다는 것을 발견했습니다. 이 임계 온도 이상에서는 아세틸렌이 주로 다이아몬드 성장에 기여합니다. 이 임계 온도 이하에서는 주로 그을음 성장에 기여합니다.

출처: Diamond And Related Materials

또 다른 요인은 다이아몬드 표면 근처의 수소 원자의 활동입니다. 표면 근처에 수소가 많을수록 더 낮은 온도에서도 더 많은 다이아몬드가 형성될 수 있습니다.

"수소 원자는 다이아몬드 성장에 직접 연료를 공급하지 않지만 수소 분해 또는 분해는 메탄을 아세틸렌으로 변환하고 원자 수소를 다이아몬드 성장 표면으로 운반하는 데 중요합니다. 이 둘은 모두 다이아몬드 성장에 중요합니다."

Alexander Khrabry – 프린스턴 대학교 연구 학자

이러한 다이아몬드 형성에 대한 통찰력을 합치면 고온으로 인해 나머지 재료를 손상시키거나 원치 않는 그을음을 발생시키지 않고 실리콘 반도체 내부에 직접 미세한 다이아몬드를 안정적으로 생성하는 방법이 열립니다.

양자 다이아몬드

탄소로만 만들어진 간단한 다이아몬드는 광학 및 센서에 응용될 수 있습니다. 하지만 더 진보된 형태의 다이아몬드는 훨씬 더 유용할 수 있습니다.

예를 들어, 양자 다이아몬드는 다이아몬드를 형성하는 탄소 원자 중 일부가 질소와 같은 다른 원자로 대체되고 다른 탄소 원자가 제거될 때 만들어집니다. 이는 소위 질소-공석(NV)을 생성합니다.

이러한 다이아몬드에서는 내부의 전자가 고전 물리학 대신 양자 규칙을 따르기 시작하는데, 이를 통해 큐비트를 구축할 수 있습니다.

"이 물질의 전자는 더 무거운 입자처럼 고전 물리학의 법칙에 따라 행동하지 않습니다. 대신 모든 전자와 마찬가지로 양자 물리학의 법칙에 따라 행동합니다."

알리스테어 스테이시- PPPL의 수석 연구 물리학자이자 양자 물질 및 소자 부문 책임자.

다이아몬드 요리책을 완벽하게 만들기

지금까지 플라즈마를 사용하여 다이아몬드를 만드는 방법은 정확하지 않았습니다. 다이아몬드 표면에서 정확히 무슨 일이 일어나는지에 대한 이론이 잘 이해되지 않았기 때문에 많은 시행착오를 거쳤습니다.

이상적으로는, 플라즈마를 사용하여 다이아몬드 위에 수소의 단일 원자 층을 추가할 수도 있습니다. 하지만 양자 다이아몬드의 경우, 고온은 질소 공석을 파괴할 것입니다.

그래서 연구진은 NV 다이아몬드에 수소 층을 만드는 데 가장 적합한 것이 무엇인지 판단하기 위해 정교한 분석 시스템(광발광 분광법 이용)을 구축했습니다.

출처: 고급 소재 인터페이스

그들은 현재로서는 각각 단점이 있지만, 두 가지 새로운 방법을 사용할 수 있다는 것을 발견했습니다.

출처: 고급 소재 인터페이스

• 가스 어닐링 형성수소 분자와 질소 가스의 혼합물을 사용하는 방법은 효과적이었으나 산소가 전혀 없는 매우 순수한 수소 가스가 필요했는데, 이는 낮은 온도에서는 달성하기 어려운 일이었습니다.
• 저온 플라즈마 종료간접적으로 수소 플라즈마를 사용하는 방법은 NV 중심을 손상시키지 않고 구현이 쉬웠지만 다이아몬드에 낮은 품질의 수소 층을 생성했습니다.

"이것은 미래의 응용 분야에서 균형을 이루어야 할 표면 품질과 NV 속성 간의 균형을 강조합니다. 예를 들어, 생물 분자 감지 프로젝트에서 NV를 표면 가까이에 보존하는 것이 절대적으로 중요합니다."

다니엘 맥클로스키 -R멜버른 대학의 연구원. 

전반적으로, 이러한 발견은 다이아몬드에 대한 몇 가지 새로운, 이전에는 어렵거나 불가능했던 응용 분야로의 길을 열어줍니다.

• 실리콘 반도체에 직접 생산하여 다이아몬드를 회로, 센서, 트랜지스터에 직접 통합합니다.
• 다이아몬드 표면에 미세 조정된 수소 층을 포함하여 양자 다이아몬드를 기능적 큐비트로 생산합니다.

새로운 양자 컴퓨터

양자 컴퓨터는 지금까지 반도체 산업에서 사용하는 전통적인 제조 전략에서 비롯된 알려진 방법을 통해 구축되었습니다. 하지만 양자 기술은 일반적인 컴퓨팅과 매우 다르기 때문에 새로운 소재가 기존 실리콘보다 더 적합할 가능성이 높다는 것은 당연합니다.

여기에는 다이아몬드가 포함될 수 있는데, 이를 통해 실온에서 양자 컴퓨팅을 수행할 수 있게 되어 비용을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 더 큰 양자 컴퓨터를 만드는 데 도움이 될 것입니다.

"50개 이상의 큐비트와 실온 양자 컴퓨터를 갖춘 양자 시뮬레이터를 만들면 100개나 1000개와 같이 더 많은 큐비트로 확장할 수 있는 길이 열리며, 이는 암호화, AI, 재료 과학과 같은 분야에 획기적인 변화를 가져올 것입니다.

이 기능을 통해 과학자들은 생명을 구하는 약물을 더 빨리 발견하고, 어려운 최적화 문제를 해결하고, 에너지 절약 기술을 더 효율적으로 개발할 수 있습니다."

마틴 코펜호퍼 - 프로젝트 조정자 SPINUS에서

다이아몬드 외에도 예를 들어 다음과 같은 기타 새로운 혁신적 소재가 있습니다. 알루미늄 질화물로 만든 압전 나노기계 공진기도 양자 센서나 양자 변환기에 사용될 수 있습니다.

전반적으로, 첨단 신소재가 실리콘을 대체할 만한 견고한 대안이 될 가능성이 크고, 양자 컴퓨팅의 가능성을 오늘날 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 확대할 것입니다.

양자 컴퓨팅에 투자하기

양자 컴퓨팅은 아직 시작 단계에 있지만 지금까지 실리콘 혁명을 주도한 모든 대형 컴퓨팅 회사의 주목을 받고 있습니다.

그것이 우리 컴퓨터에서 일어나는 것보다 더 특수한 응용 분야에만 영원히 제한될지 모르지만, 물리학, 생물학, 재료 과학, 암호학, 군사 응용 프로그램을 모델링하는 데 여전히 중요한 역할을 할 수 있습니다.

여러분은 많은 브로커를 통해 양자 컴퓨팅 회사에 투자할 수 있으며, 여기에서 찾을 수 있습니다. 증권.io, 최고의 브로커에 대한 권장 사항 미국, Canada, Australia, 영국, 다른 많은 나라들뿐만 아니라.

특정 회사를 선택하는 데 관심이 없다면 ETF도 살펴볼 수 있습니다. ProShares 나노기술 ETF(TINY) 아니면 그 WisdomTree 클라우드 컴퓨팅 펀드 (WCLD) 이를 통해 양자 컴퓨팅 및 나노 기술 주식을 활용하여 보다 다양한 혜택을 누릴 수 있습니다.

또는 "상위 10개 나노기술 주식”및 “최고의 양자 컴퓨팅 회사 5곳”

양자 컴퓨팅 회사

IBM(International Business Machines Corporation)은 최초의 메인프레임 컴퓨터를 상용화하는 데 앞장선 기업이었습니다.

하지만 최근 애플 등 다른 기술 대기업의 생산량에 비해 뒤처지고 있다. (AAPL ), TSMC (TSM ), 엔비디아 (NVDA )

그러나 양자 컴퓨터 개발의 최전선에 있습니다. 예를 들어, 127큐비트 "Eagle" 양자 컴퓨터를 개발한 후 "Osprey"로 알려진 433큐비트 시스템을 개발했습니다.

그리고 지금은 그 뒤를 이어 1,121개 초전도 큐비트 양자 프로세서 '콘도르(Condor)' 교차 공진 게이트 기술을 기반으로 최첨단 양자 프로세서인 "Heron"을 결합했습니다.

양자 컴퓨터는 향상된 자기 제어를 통해 큐비트의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 이는 처리 능력에 필수적입니다.

마찬가지로, 제어된 자기장에 의존하는 초전도체의 발전은 특히 고온에서 더 효율적인 에너지 전송 및 냉각 시스템으로 이어질 수 있습니다.

IBM은 컴퓨팅 및 반도체 산업의 다른 최첨단 혁신 대부분에 참여하고 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다. 유기재료 전도, 뉴 로모 픽 컴퓨팅, 광자등

어느 정도 IBM은 새로운 컴퓨팅 방법을 개발하고 이를 업계에 라이센스하는 데 대한 전문 지식을 갖춘 "특허 회사"가 되었습니다.

지금까지는 가능한 모든 비실리콘 컴퓨팅 방식에서 핵심 특허를 최대한 많이 보유하고 과거의 성공을 재현하며 반도체 산업을 오늘날의 거대 기업으로 발전시키는 데 막대한 기여를 하겠다는 의지가 강한 것 같습니다.

연구 참고문헌:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). 표면 반응의 양자 화학 모델과 다이아몬드 성장의 동역학 모델: 저온 CVD에서 CH₃ 라디칼과 C₂H₂ 분자의 효과. 다이아몬드 및 관련 재료, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP, & Kaganovich, ID(2024). 다이아몬드의 수소 종결을 보존하는 색상 중심 방법. 고급 재료 인터페이스, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}