Kunnen diamanten verbeterde qubits voor quantumcomputing ontsluiten?

Diamanten gebruiken voor quantumcomputing

Klassieke computers gebruiken bits met de waarden 0 of 1. Quantumcomputers gebruiken qubits, waarvan de toestand een combinatie van beide basiswaarden kan zijn. Twee belangrijke begrippen zijn superpositie en verstrengeling.

• Superpositie betekent dat de toestand een combinatie van 0 en 1 kan zijn. Bij meting krijgt men doorgaans één uitkomst. Het betekent niet dat alle mogelijke oplossingen tegelijk kunnen worden uitgelezen.
• Verstrengeling zorgt voor quantumcorrelaties tussen systemen die niet als onafhankelijke toestanden kunnen worden beschreven. Daarmee kan geen informatie sneller dan het licht worden verzonden.

Deze eigenschappen kunnen quantumprocessors bij bepaalde problemen een voordeel geven, mits geschikte algoritmen en voldoende betrouwbare hardware beschikbaar zijn. Ze maken niet iedere complexe berekening automatisch sneller.

“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 bijvoorbeeld uitermate waardevol zijn als sensoren.”

Alastair Stacey – Managing principal research physicist en hoofd van quantummaterialen en -apparaten bij PPPL.

Qubits zijn gevoelig voor verstoring. Het betrouwbaar voorbereiden, besturen en meten van hun toestand is daarom een belangrijke technische uitdaging.

Diamant is een van de materialen waarmee onderzoekers die uitdaging bestuderen. Onderzoekers verbonden aan het Princeton Plasma Physics Laboratory publiceerden werk in Diamond and Related Materials onder de titel ”Quantumchemisch model van oppervlakte‑reacties en kinetisch model van diamantgroei: Effecten van CH₃‑radicalen en C₂H₂‑moleculen bij lage‑temperatuur‑CVD¹”.

Daarnaast werkten onderzoekers van onder meer de University of Melbourne en Princeton aan het onderzoek ”Methoden voor kleurcentrum‑behoudende waterstof‑terminatie van diamant²”.

Diamanten op aanvraag laten groeien

Naast natuurlijke diamanten bestaan synthetische diamanten die onder hoge druk en temperatuur of via chemische dampafzetting worden gemaakt. Voor integratie met gevoelige elektronische structuren zijn processen bij lagere temperatuur interessant.

Daarvoor wordt onder meer plasma-ondersteunde chemische dampafzetting onderzocht, met koolstofhoudende gassen zoals methaan en acetyleen.

Bron: PPPL

Een uitdaging is dat naast diamant ook ongewenste koolstofafzettingen kunnen ontstaan. Die kunnen de prestaties van optische, sensor- en elektronische toepassingen beperken. Modellering helpt verklaren welke oppervlaktereacties diamantgroei bevorderen.

Temperatuur en waterstof in balans

De modellen laten zien dat de temperatuur beïnvloedt of acetyleen vooral bijdraagt aan diamantgroei of aan ongewenste koolstofafzetting. De omslag hangt af van de procesomstandigheden; er bestaat geen universele kritische temperatuur voor alle diamantproductie.

Bron: Diamond and Related Materials

Ook de beschikbaarheid van atomair waterstof aan het oppervlak is belangrijk. Een geschikte balans kan diamantgroei bij lagere temperaturen ondersteunen.

“Waterstofatomen voeden de diamantgroei niet direct, maar waterstofdissociatie, of afbraak, is cruciaal voor het omzetten van methaan in acetyleen en het transporteren van atomair waterstof naar het diamantgroeivlak. Beide zijn belangrijk voor diamantgroei,”

Alexander Khrabry, onderzoeker verbonden aan Princeton.

Deze inzichten kunnen helpen processen te ontwerpen waarmee diamant beter met andere materialen wordt geïntegreerd. Ze tonen nog geen algemeen toepasbare productie van complete quantumchips op silicium aan.

Quantumdiamanten

Diamant kan nuttig zijn in optische systemen en sensoren. Bepaalde defecten in het kristalrooster geven bovendien toegang tot quantumtoestanden die voor metingen of informatieverwerking kunnen worden gebruikt.

Een stikstof-vacaturecentrum (NV-centrum) bestaat uit een stikstofatoom op een koolstofpositie naast een ontbrekend koolstofatoom. De specifieke combinatie vormt het defect; willekeurig atomen verwijderen levert niet automatisch een bruikbaar NV-centrum op.

De elektronen van zo’n centrum hebben spin- en optische eigenschappen die kunnen worden gebruikt om een quantumtoestand te besturen en uit te lezen.

”Net als alle elektronen volgen de elektronen in dit materiaal de wetten van de quantumfysica.”Alastair Stacey – Managing principal research physicist en hoofd van quantummaterialen en -apparaten bij PPPL.

Het recept voor diamant verbeteren

Plasma-gebaseerde diamantprocessen worden verder verfijnd met experimenten en theoretische modellen. Met name reacties aan het oppervlak zijn belangrijk voor de kwaliteit van het materiaal.

Een waterstoflaag op het diamantoppervlak kan nuttige eigenschappen geven. De behandeling kan echter ondiepe NV-centra of hun ladingstoestand beïnvloeden, waardoor geschikte procescondities nodig zijn.

De onderzoekers gebruikten onder meer fotoluminescentiespectroscopie om te beoordelen hoe verschillende waterstofbehandelingen het oppervlak en de NV-centra beïnvloedden.

Bron: Advanced Materials Interfaces

Ze onderzochten twee benaderingen, elk met een eigen afweging tussen oppervlaktekwaliteit en behoud van de gewenste eigenschappen.

Bron: Advanced Materials Interfaces

• Gloeien in formeergas gebruikt een mengsel van waterstof en stikstof. De uitkomst hangt af van onder meer temperatuur, zuiverheid en resterende zuurstof.
• Terminatie met koud plasma gebruikt een indirecte plasmabehandeling. Deze kan NV-centra beter behouden, maar kan andere beperkingen geven voor de kwaliteit van het waterstof-getermineerde oppervlak.

”Dit benadrukt de afweging tussen oppervlaktekwaliteit en NV-eigenschappen die bij toekomstige toepassingen in balans moet worden gebracht. Bij biomoleculaire sensoren is het bijvoorbeeld cruciaal dat NV-centra dicht bij het oppervlak behouden blijven.”Daniel McCloskey – onderzoeker aan de University of Melbourne. 

De resultaten ondersteunen verder onderzoek naar onder meer de volgende toepassingen:

• Integratie van diamant met siliciumstructuren voor elektronische of optische toepassingen.
• Gebruik van NV-centra als qubits of sensoren, met zorgvuldig afgestemde oppervlaktebehandeling.

Nieuwe quantumcomputers

Quantumcomputers gebruiken uiteenlopende hardware, waaronder supergeleidende circuits, gevangen ionen en defecten in vaste stoffen. Diamant is een van de mogelijke materiaalplatforms.

Sommige diamantgebaseerde quantumsystemen kunnen bij kamertemperatuur werken. Dat bewijst nog niet dat een grote fouttolerante quantumcomputer zonder complexe apparatuur beschikbaar is; schaalbaarheid, besturing en foutcorrectie blijven uitdagingen.

”Een quantumsimulator met meer dan 50 qubits en een quantumcomputer bij kamertemperatuur zouden de weg kunnen openen naar grotere aantallen, zoals 100 of 1.000 qubits, met mogelijke toepassingen in cryptografie, AI en materiaalkunde.

Die mogelijkheden zouden onderzoek naar geneesmiddelen, optimalisatieproblemen of energiezuinige technologieën kunnen ondersteunen.”

Martin Koppenhöfer – projectcoördinator bij SPINUS

Naast diamant worden andere materialen onderzocht. Bijvoorbeeld piëzo-elektrische nanomechanische resonatoren van aluminiumnitride voor quantumsensoren en quantumomzetters.Nieuwe materialen kunnen de mogelijkheden van quantumtechnologie verbreden. Welk platform voor een bepaalde toepassing het meest geschikt is, zal afhangen van verdere technische en experimentele resultaten.

Investeren in quantumcomputing

Quantumcomputing is nog volop in ontwikkeling. Grote technologiebedrijven en gespecialiseerde ondernemingen investeren in verschillende hardware- en softwarebenaderingen.

Quantumprocessors zullen waarschijnlijk voor specifieke taken naast klassieke computers worden gebruikt. Mogelijke toepassingen liggen onder meer in natuurkundige simulaties, materiaalkunde en bepaalde optimalisatieproblemen; praktische voordelen moeten per taak worden aangetoond.

Voor beleggingen in relevante bedrijven kunt u bij securities.io artikelen vinden over brokers in de Verenigde Staten, Canada, Australië, het Verenigd Koninkrijk en andere landen. Controleer de voorwaarden voor uw woonland.

Voor een bredere thematische belegging kunt u bijvoorbeeld de ProShares Nanotechnology ETF (TINY) of het WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) onderzoeken. TINY richt zich op nanotechnologie; WCLD op cloudsoftware. Geen van beide is automatisch een zuivere belegging in quantumcomputing. Controleer de actuele samenstelling, kosten en risico’s.

Zie ook onze artikelen ”10 nanotechnologieaandelen” en  ”5 quantumcomputingbedrijven”.

Quantumcomputingbedrijven

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) speelde een belangrijke rol in de ontwikkeling en commercialisering van mainframecomputers.

Het bedrijfsmodel verschilt van dat van Apple (AAPL ), TSMC (TSM ) en Nvidia (NVDA ). Een vergelijking op basis van alleen productievolume zegt daarom weinig over de concurrentiepositie.

IBM ontwikkelt quantumprocessors. Het introduceerde onder meer Eagle met 127 qubits en Osprey met 433 qubits.

In december 2023 volgde Condor, een supergeleidende processor met 1.121 qubits, naast de eerste Heron-processor met 133 qubits. Het aantal qubits alleen bepaalt niet de bruikbaarheid; foutpercentages, verbindingen en besturing zijn eveneens belangrijk.

Betere besturing en beperking van storingen kunnen de betrouwbaarheid van qubits verbeteren. Welke technieken nodig zijn, hangt af van het gebruikte hardwareplatform.

Onderzoek naar supergeleidende materialen is relevant voor verschillende technologieën, maar een nieuw materiaal levert niet automatisch een quantumprocessor met eenvoudigere koeling op.

IBM doet ook onderzoek naar andere vormen van elektronica en informatieverwerking, zoals elektrisch geleidende organische materialen, neuromorfe systemen en fotonica.

Het bedrijf combineert onderzoek, productontwikkeling, software, dienstverlening en licenties op intellectuele eigendom. Het is daarmee niet alleen een ”patentenbedrijf”.

Patenten kunnen een rol spelen in de commerciële strategie, maar zijn geen garantie voor technisch succes, toekomstige omzet of beleggingsrendement.

Onderzoeksreferenties:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Quantumchemisch model van oppervlakte‑reacties 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., et al. (2024). Methoden voor kleurcentrum-behoudende waterstofterminatie van diamant. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}