Computing
Konden Diamanten Verbeterde Qubits voor Kwantumcomputing Ontgrendelen?
Het Gebruik van Diamant voor Kwantumcomputing
In tegenstelling tot normale computers die bits gebruiken (0 & 1), gebruiken kwantumcomputers “qubits”. Qubits kunnen gelijktijdig in meerdere staten bestaan dankzij twee kwantumeigenschappen: superpositie en verstrengeling.
- Superpositie laat qubits toe om zowel 0 als 1 tegelijk te vertegenwoordigen, waardoor de hoeveelheid verwerkte gegevens exponentieel toeneemt in vergelijking met klassieke bits.
- Verstrengeling verbindt qubits op een manier dat de staat van een qubit onmiddellijk een andere qubit kan beïnvloeden, zelfs over grote afstanden.
Deze eigenschappen maken het mogelijk voor QPUs om zeer complexe problemen veel sneller op te lossen dan klassieke computers door gelijktijdig meerdere oplossingen te onderzoeken.
“Het voordeel van qubits is dat ze veel meer informatie kunnen bevatten dan gewone bits. Dit betekent dat ze ons ook veel meer informatie over hun omgeving kunnen geven, waardoor ze uiterst waardevol zijn als sensoren, bijvoorbeeld.”
Alastair Stacey – Managing principal research physicist en hoofd van kwantummaterialen en -apparaten bij PPPL.
Echter, qubits zijn uiterst kwetsbaar en het meten van hun eigenschappen is geen eenvoudige taak.
Dus, wat als we in plaats daarvan afhankelijk zijn van een van de hardste materialen op aarde – diamant – om taken in onze meest geavanceerde computer uit te voeren? Dit is de visie van onderzoekers aan de Princeton University, die onlangs een artikel publiceerden in Diamond And Related Materials, met de titel “Kwantumchemisch model van oppervlaktreacties en kinetisch model van diamantgroei: Effecten van CH3-radicalen en C2H2-moleculen bij lage-temperatuur-CVD1“.
Dit sluit aan bij de werken van andere onderzoekers aan de University of Melbourne en Princeton University, die werden gepubliceerd onder de titel “Methoden voor kleurcentrumbehoud bij waterstof-terminatie van diamant2.”
Diamanten Kweken Op Bestelling
Diamanten, historisch gezien alleen een natuurlijke steen, worden tegenwoordig meestal gefabriceerd uit ruwe koolstof. Echter, dit proces vereist zeer hoge temperaturen en druk, dus het kan niet worden gecombineerd met andere materialen zoals silicium dat in computerchips wordt gebruikt. Hiervoor is lage-temperatuur diamantfabricage nodig.
Sommige methoden zijn al onderzocht, zoals het gebruik van acetyleen en een techniek genaamd “plasma-geverfde chemische dampafzetting”.
Bron: PPPL
Het probleem hiermee is dat, hoewel het microscopische diamanten kan kweken, het ook veel roet afzet, wat op de diamant kan groeien en de prestaties kan beïnvloeden voor optica, sensoren en chips. Tot nu toe was het niet duidelijk waarom het roet in plaats van diamant werd gevormd.
Goudlokje Temperatuur & Waterstof
De onderzoekers vonden dat er een precieze temperatuur is waarbij het proces een diamant creëert. Boven deze kritische temperatuur draagt acetyleen voornamelijk bij aan diamantgroei. Onder deze kritische temperatuur draagt het voornamelijk bij aan roetgroei.
Bron: Diamond And Related Materials
Een andere factor is de activiteit van waterstofatomen nabij het oppervlak van de diamant. Met meer waterstof nabij het oppervlak kunnen meer diamanten worden gevormd, zelfs bij lagere temperaturen.
“Waterstofatomen versterken de diamantgroei niet direct, maar waterstofontbinding, of afbraak, is cruciaal voor het omzetten van methaan in acetyleen en het transporteren van atomaire waterstof naar het oppervlak van de diamantgroei. Dit zijn beide belangrijk voor diamantgroei,”
Alexander Khrabry – Princeton University Research Scholar
Samen openen deze inzichten in diamantvorming de weg voor het betrouwbaar creëren van microscopische diamanten rechtstreeks in siliciumhalfgeleiders zonder de rest van het materiaal te beschadigen met hoge temperaturen of ongewenst roet.
Kwantumdiamanten
Eenvoudige diamanten die alleen uit koolstof bestaan, kunnen enkele toepassingen hebben in optica en sensoren. Maar geavanceerdere vormen van diamanten kunnen nog nuttiger zijn.
Bijvoorbeeld, kwantumdiamanten worden gemaakt wanneer sommige van de koolstofatomen die de diamant vormen, worden vervangen door andere atomen, zoals stikstof, en sommige andere koolstofatomen worden verwijderd. Dit creëert een zogenaamde stikstof-leegte (NV).
In een dergelijke diamant beginnen de elektronen te volgen volgens kwantumregels in plaats van klassieke fysica, wat gebruikt kan worden om qubits te bouwen.
“De elektronen in dit materiaal gedragen zich niet volgens de wetten van de klassieke fysica zoals zwaardere deeltjes doen. In plaats daarvan, zoals alle elektronen, gedragen ze zich volgens de wetten van de kwantumfysica.”
Alastair Stacey – Managing principal research physicist en hoofd van kwantummaterialen en -apparaten bij PPPL.
De Diamant Recept Perfect Maken
Tot nu toe is de methode van het gebruik van plasma om diamanten te creëren verre van precies. Het was veel proberen en experimenteren, aangezien de theorie van wat er precies gebeurt aan het oppervlak van de diamant niet goed wordt begrepen.
Ideaal gezien kan plasma ook worden gebruikt om een mono-atomaire laag waterstof op het oppervlak van de diamant te plaatsen. Maar in het geval van kwantumdiamanten zou de hoge temperatuur de stikstof-leegte vernietigen.
Dus de onderzoekers bouwden een uitgebreid analytisch systeem (met behulp van fotoluminescentiespectroscopie) om te bepalen wat het beste werkt voor het creëren van een waterstoflaag op NV-diamanten.
Zij vonden dat 2 nieuwe methoden kunnen worden gebruikt, hoewel elk met zijn eigen nadelen voor nu.
- Vorming van gasverwerking, die een mengsel van waterstofmoleculen en stikstofgas gebruikt, werkte maar vereiste zeer zuivere waterstofgas zonder enig zuurstof, iets dat moeilijk te bereiken is bij lage temperaturen.
- Koude plasma-terminatie, die waterstofplasma indirect gebruikt, beschadigde het NV-centrum niet en was gemakkelijker te implementeren, maar creëerde een lagere kwaliteit van de waterstoflaag op de diamant.
“Dit benadrukt de afweging tussen oppervlaktekwaliteit en NV-eigenschappen die in toekomstige toepassingen moeten worden gebalanceerd. Bijvoorbeeld, in projecten voor biomoleculaire detectie is het absoluut cruciaal dat NV’s worden behouden dicht bij oppervlakken.”
Daniel McCloskey – Onderzoeker aan de University of Melbourne.
Al met al openen deze ontdekkingen de weg voor enkele nieuwe, eerder moeilijke of onmogelijke toepassingen voor diamanten:
- Directe productie op siliciumhalfgeleiders, waarbij diamanten rechtstreeks in schakelingen, sensoren en transistors worden geïntegreerd.
- Productie van kwantumdiamanten in functionele qubits, inclusief een fijn afgestemde waterstoflaag op het oppervlak van de diamant.
Nieuwe Kwantumcomputers
Kwantumcomputers zijn tot nu toe gebouwd met bekende methoden die voortkomen uit de traditionele fabricagemethoden die in de halfgeleiderindustrie worden gebruikt. Maar aangezien kwantumtechnologie zo anders is dan normale computing, is het logisch dat nieuwe materialen een betere keuze zijn dan traditioneel silicium.
Dit kan diamanten omvatten, die op een dag kwantumcomputing mogelijk maken bij kamertemperatuur, wat niet alleen de kosten aanzienlijk zou verlagen maar ook zou helpen bij het creëren van grotere kwantumcomputers.
“Het maken van een kwantumsimulator met meer dan 50 qubits en een kwantumcomputer bij kamertemperatuur opent de deur voor het opschalen naar een groter aantal qubits, zoals 100 of 1000, wat een game-changer zou zijn voor gebieden zoals cryptografie, AI en materiaalkunde.
Deze mogelijkheid zou wetenschappers in staat stellen om levensreddende medicijnen sneller te ontdekken, moeilijke optimalisatieproblemen op te lossen of energiebesparende technologieën efficiënter te ontwikkelen.”
Naast diamanten kunnen andere nieuwe innovatieve materialen, zoals bijvoorbeeld piezoelektrische nanomechanische resonatoren gemaakt van aluminiumnitride, ook worden gebruikt voor kwantumsensoren of kwantumtransductoren.
Al met al is het waarschijnlijk dat geavanceerde nieuwe materialen een solide alternatief zullen zijn voor silicium en de belofte van kwantumcomputing veel verder zullen brengen dan we vandaag kunnen vermoeden.
Investeren In Kwantumcomputing
Kwantumcomputing is nog maar net begonnen, maar heeft al de aandacht getrokken van elke grote computerfirma die de siliciumrevolutie tot nu toe heeft aangedreven.
Het kan altijd beperkt blijven tot nichetoepassingen meer dan dat het onze computers zal vervangen, maar het kan ook instrumenteel worden in de modellering van fysica, biologie, materiaalkunde, cryptografie en militaire toepassingen.
U kunt investeren in kwantumcomputingbedrijven via veel brokers en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, evenals veel andere landen.
Als u geen specifieke bedrijven wilt kiezen, kunt u ook kijken naar ETF’s zoals de ProShares Nanotechnology ETF (TINY) of de WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van kwantumcomputing- en nanotechnologie-aandelen.
Of u kunt kijken naar onze lijst van de “Top 10 Nanotechnology Stocks” en “5 Best Quantum Computing Companies”.
Kwantumcomputingbedrijven
(IBM )
International Business Machines Corporation (IBM) was de leidende kracht achter de commercialisatie van de eerste mainframe-computer.
Het is echter recentelijk achtergebleven in de productievolume van andere technologiebedrijven zoals Apple (AAPL ), TSMC (TSM ) en NVIDIA (NVDA )
Het staat echter aan de voorzijde van de ontwikkeling van kwantumcomputers. Bijvoorbeeld, het ontwikkelde zijn 127-qubit “Eagle” kwantumcomputer, die werd gevolgd door een 433-qubit systeem bekend als “Osprey.”
En dit wordt nu gevolgd door “Condor”, een 1.121 supergeleidende qubit kwantumprocessor op basis van cross-resonantiegatetechnologie, samen met “Heron”, een kwantumprocessor aan de rand van het veld.
Kwantumcomputers kunnen profiteren van verbeterde magnetische controle, waardoor qubit-stabiliteit en -betrouwbaarheid worden verbeterd, wat essentieel is voor verwerkingssnelheid.
Soortgelijke vooruitgang in supergeleiders, die afhankelijk zijn van gecontroleerde magnetische velden, kan leiden tot efficiëntere energietransmissie- en koelsystemen, met name bij hogere temperaturen.
IBM is betrokken bij de meeste andere cutting-edge innovaties in computing en de halfgeleiderindustrie. Deze omvatten geleidende organische materialen, neuromorfische computing, photonics, enz.
Tot op zekere hoogte is IBM een “octrooibedrijf” geworden met expertise in het ontwikkelen van nieuwe computermethoden en het licentiëren ervan aan de industrie.
Tot nu toe lijkt het erg vastbesloten om zo veel mogelijk sleuteloctrooien te behouden in alle niet-silicium computermethoden die het kan krijgen, waarmee het zijn eerdere succes herhaalt toen het een grote bijdrage leverde aan de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie tot de reus die het vandaag is.
Studie Referentie:
1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Kwantumchemisch model van oppervlaktreacties en kinetisch model van diamantgroei: Effecten van CH₃-radicalen en C₂H₂-moleculen bij lage-temperatuur-CVD. 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). Methoden voor kleurcentrumbehoud bij waterstof-terminatie van diamant. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242
