Kan diamanter låse opp forbedrede Qubits for Quantum Computing?

Bruke Diamond for Quantum Computing

I motsetning til vanlige datamaskiner som bruker bits (0 og 1), bruker kvantedatamaskiner "qubits". Qubits kan eksistere i flere tilstander samtidig takket være to kvanteegenskaper: super og forviklinger.

• super lar qubits representere både 0 og 1 samtidig, og øker eksponentielt dataene som kan behandles sammenlignet med klassiske biter.
• forviklinger kobler qubits på en slik måte at tilstanden til en qubit øyeblikkelig kan påvirke en annen, selv over store avstander.

Disse egenskapene gjør det mulig for QPU-er å løse svært komplekse problemer mye raskere enn klassiske datamaskiner ved å utforske flere løsninger samtidig.

"Fordelen med qubits er at de kan inneholde mye mer informasjon enn vanlige biter kan. Dette betyr at de også kan gi oss mye mer informasjon om miljøet deres, noe som gjør dem ekstremt verdifulle som sensorer, for eksempel.»

Alastair Stacey - Administrerende hovedforskningsfysiker og leder for kvantematerialer og enheter ved PPPL.

Qubits er imidlertid ekstremt skjøre, og det er ikke en lett oppgave å måle egenskapene deres.

Så hva om vi i stedet regnet med et av de hardeste materialene på jorden – diamant – for å utføre oppgaver i vår mest avanserte datamaskin? Dette er visjonen til forskere ved Princeton University, som nylig publiserte i Diamond And Related Materials, under tittelen "Kvantekjemimodell av overflatereaksjoner og kinetisk modell for diamantvekst: Effekter av CH3-radikaler og C2H2-molekyler ved lave temperaturer CVD¹".

Dette føyer seg sammen med verkene til andre forskere ved University of Melbourne og Princeton University, publisert under tittelen "Metoder for fargesenterbevaring av hydrogen-terminering av diamant²».

Dyrking av diamanter på forespørsel

Diamanter, historisk sett bare en naturstein, produseres for det meste av råkarbon i disse dager. Imidlertid krever denne prosessen veldig intens varme og trykk, så den kan ikke kombineres med andre materialer som silisium som brukes i databrikker. For dette er lavtemperatur diamantproduksjon nødvendig.

Noen metoder har allerede blitt utforsket, som å bruke acetylen og en teknikk kalt "plasmaforbedret kjemisk dampavsetning".

kilde: PPPL

Problemet med den er at mens den kan dyrke mikroskopiske diamanter, avsetter den også mye sot, som kan vokse på toppen av diamanten og hemme ytelsen til optikk, sensorer og brikker. Til nå var det ikke klart hvorfor soten ble dannet i stedet for diamanter.

Goldilocks Temperatur & Hydrogen

Forskerne fant at det er en presis temperatur der prosessen skaper en diamant. Over denne kritiske temperaturen bidrar acetylen mest til diamantvekst. Under denne kritiske temperaturen bidrar den mest til sotvekst.

Kilde: Diamant og relaterte materialer

En annen faktor er aktiviteten til hydrogenatomer nær overflaten av diamanten. Med mer hydrogen nær overflaten kan flere diamanter dannes, selv ved lavere temperaturer.

"Hydrogenatomer gir ikke direkte drivstoff til diamantvekst, men hydrogendissosiasjon, eller nedbrytning, er avgjørende for å transformere metan til acetylen og transportere atomært hydrogen til diamantvekstoverflaten. Disse er begge viktige for diamantvekst,»

Alexander Khrabry - Princeton University Research Scholar

Sammen åpner denne innsikten i diamantdannelse veien for pålitelig å lage mikroskopiske diamanter direkte inne i silisiumhalvledere uten å skade resten av materialet med høye temperaturer eller skape uønsket sot.

Kvante diamanter

Enkle diamanter laget kun på karbon kan ha noen bruksområder i optikk og sensorer. Men mer avanserte former for diamanter kan være enda mer nyttige.

For eksempel lages kvantediamanter når noen av karbonatomene som danner diamanten erstattes av andre atomer, som for eksempel nitrogen, og noen andre karbonatomer bare fjernes. Dette skaper en såkalt nitrogen-ledig stilling (NV).

I en slik diamant begynner elektronene inni å følge kvanteregler i stedet for klassisk fysikk, som kan brukes til å bygge qubits.

"Elektronene i dette materialet oppfører seg ikke i henhold til lover i klassisk fysikk slik tyngre partikler gjør. I stedet, som alle elektroner, oppfører de seg i henhold til kvantefysikkens lover.»

Alastair Stacey - Administrerende hovedforskningsfysiker og leder for kvantematerialer og enheter ved PPPL.

Perfecting The Diamond Cookbook

Frem til nå har metoden for å bruke plasma til å lage diamanter vært langt fra presis. Den brukte mye prøving og feiling, ettersom teorien om hva som nøyaktig skjer på overflaten av diamanten ikke er godt forstått.

Ideelt sett kan plasma også brukes til å legge et monoatomisk lag av hydrogen på toppen av diamanten. Men når det gjelder kvantediamanter, ville den høye temperaturen ødelegge nitrogen-ledigheten.

Så forskerne bygget et forseggjort analytisk system (ved hjelp av fotoluminescensspektroskopi) for å bedømme hva som fungerer best for å lage et hydrogenlag på NV-diamanter.

kilde: Avansert materialgrensesnitt

De fant ut at 2 nye metoder kunne brukes, men hver med sine egne ulemper foreløpig.

kilde: Avansert materialgrensesnitt

• Dannende gassgløding, som bruker en blanding av hydrogenmolekyler og nitrogengass, fungerte, men krevde veldig ren hydrogengass uten oksygen, noe som er vanskelig å oppnå ved lave temperaturer.
• Kald plasmaterminering, som bruker hydrogenplasma indirekte, skadet ikke NV-senteret og var lettere å implementere, men skapte en lavere kvalitet på hydrogenlaget på diamanten.

"Dette fremhever avveiningen mellom overflatekvalitet og NV-egenskaper som må balanseres i fremtidige applikasjoner. For eksempel, i biomolekylære sanseprosjekter, er det helt avgjørende at NV-er bevares nær overflater.»

Daniel McCloskey - Rsøker ved University of Melbourne. 

Totalt sett åpner disse oppdagelsene veien for noen få nye, tidligere vanskelige eller umulige bruksområder for diamanter:

• Direkte produksjon på silisiumhalvledere, integrering av diamanter direkte i kretser, sensorer og transistorer.
• Produksjon av kvantediamanter til funksjonelle qubits, inkludert et finjustert hydrogenlag på overflaten av diamanten.

Nye kvantedatamaskiner

Kvantedatamaskiner har så langt blitt bygget ut av kjente metoder som stammer fra den tradisjonelle produksjonstaktikken som brukes av halvlederindustrien. Men med kvanteteknologi så forskjellig fra vanlig databehandling, er det fornuftig at nye materialer sannsynligvis passer bedre enn tradisjonell silisium.

Dette kan inkludere diamanter, for en dag som lar kvanteberegning utføres ved romtemperatur, noe som ikke bare vil redusere kostnadene drastisk, men også hjelpe til med å lage større kvantedatamaskiner.

"Å lage en kvantesimulator med mer enn 50 qubits og en romtemperatur kvantedatamaskin åpner døren for å skalere opp til et høyere antall qubits, som 100 eller 1000, som ville være en game-changer for områder som kryptografi, AI og materialvitenskap.

Denne evnen vil gjøre det mulig for forskere å oppdage livreddende medisiner raskere, løse harde optimaliseringsproblemer eller utvikle energisparende teknologier mer effektivt."

Martin Koppenhöfer - Prosjektkoordinator hos SPINUS

Foruten diamanter, andre nye innovative materialer som f.eks piezoelektriske nanomekaniske resonatorer laget av aluminiumnitrid kan også brukes til kvantesensorer eller kvantetransdusere.

Totalt sett er det sannsynlig at avanserte nye materialer vil være et solid alternativ til silisium og presse løftet om kvanteberegning mye lenger enn vi kunne gjette i dag.

Investering i Quantum Computing

Kvantedatabehandling er bare i gang, men har allerede fanget oppmerksomheten til alle store databedrifter som har drevet silisiumrevolusjonen så langt.

Det kan for alltid være begrenset til nisjeapplikasjoner mer enn det som foregår på datamaskinene våre, men det kan fortsatt bli medvirkende til modellering av fysikk, biologi, materialvitenskap, kryptografi og militære applikasjoner.

Du kan investere i kvantedatabedrifter gjennom mange meglere, og du kan finne her, på verdipapirer.io, våre anbefalinger for de beste meglerne i De Forente Stater, Canada, Australia, Storbritannia, så vel som mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke selskaper, kan du også se på ETFer som ProShares Nanotechnology ETF (TINY) eller WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) som vil gi en mer diversifisert eksponering for å kapitalisere på kvantedatabehandling og nanoteknologiaksjer.

Eller du kan se på listen vår over "Topp 10 nanoteknologiaksjer”Og "5 beste kvantedatabedrifter".

Kvantedatabedrifter

International Business Machines Corporation (IBM) var den ledende kraften bak kommersialiseringen av den første stormaskinen.

Imidlertid har den nylig falt bak i produksjonsvolumet til andre teknologigiganter som Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), og NVIDIA (NVDA )

Det er imidlertid i forkant av utviklingen av kvantedatamaskiner. For eksempel utviklet den sin 127-qubit "Eagle" kvantedatamaskin, som ble fulgt av et 433-qubit-system kjent som "Osprey."

Og dette er nå etterfulgt av "Condor", en 1,121 superledende kvanteprosessor basert på cross-resonance gate-teknologi, sammen med «Heron», en kvanteprosessor helt i ytterkanten av feltet.

Kvantedatamaskiner kan dra nytte av forbedret magnetisk kontroll, forbedre qubit-stabilitet og pålitelighet, som er avgjørende for prosessorkraft.

På samme måte kan fremskritt innen superledere, som er avhengige av kontrollerte magnetiske felt, føre til mer effektive energioverføring og kjølesystemer, spesielt ved høyere temperaturer.

IBM er involvert i de fleste andre banebrytende innovasjoner innen databehandling og halvlederindustrien. Disse inkluderer lede organisk materiale, nevromorf databehandling, fotonikkOsv

I noen grad har IBM blitt et "patentselskap" med ekspertise på å utvikle nye databehandlingsmetoder og lisensiere dem til industrien.

Så langt virker det veldig fast bestemt på å inneha så mange nøkkelpatenter i alle de ikke-silisiumbaserte databehandlingsmetodene den kan få, og gjenskaper tidligere suksess når den bidrar massivt til å utvikle halvlederindustrien til den giganten den er i dag.

Studiereferanse:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Kvantekjemimodell av overflatereaksjoner og kinetisk modell for diamantvekst: Effekter av CH₃-radikaler og C₂H₂-molekyler ved lavtemperatur-CVD. Diamant og relaterte materialer, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP, & Kaganovich, ID (2024). Metoder for fargesenter for å bevare hydrogenterminering av diamant. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}