Kan diamanter låse opp forbedrede qubits for kvantedatabehandling?

Bruke diamant for kvantedatabehandling

I motsetning til vanlige datamaskiner som bruker biter (0 & 1), bruker kvantedatamaskiner «qubits». Qubits kan eksistere i flere tilstander samtidig takket være to kvanteegenskaper: superposisjon og sammenfiltring.

• Superposisjon gjør at qubits kan representere både 0 og 1 samtidig, noe som eksponentielt øker mengden data som kan behandles sammenlignet med klassiske biter.
• Sammenfiltring kobler qubits på en måte som gjør at tilstanden til en qubit umiddelbart kan påvirke en annen, selv over store avstander.

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

«Fordelen med qubits er at de kan holde 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 – ledende forskningsforsker og leder for kvantmaterialer og -enheter ved PPPL.

Imidlertid er qubits ekstremt skjøre, og å måle deres egenskaper er ingen enkel oppgave.

Hva om vi i stedet stolte på ett 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 “Quantum chemistry model of surface reactions and kinetic model of diamond growth: Effects of CH3 radicals and C2H2 molecules at low-temperatures CVD¹”.

Dette knytter seg til arbeidet til andre forskere ved University of Melbourne og Princeton University, publisert under tittelen “Methods for Color Center Preserving Hydrogen-Termination of Diamond².”

Vokse diamanter på forespørsel

Diamanter, som historisk kun var en naturlig stein, blir i dag i stor grad fremstilt fra råkarbon. Denne prosessen krever imidlertid svært høy varme og trykk, så den kan ikke kombineres med andre materialer som silisium som brukes i databrikker. Derfor trengs produksjon av diamant ved lave temperaturer.

Noen metoder har allerede blitt utforsket, som å bruke acetylén og en teknikk kalt «plasma‑forsterket kjemisk dampavsetning».

Kilde: PPPL

Problemet er at selv om den kan dyrke mikroskopiske diamanter, avsetter den også mye sot, som kan legge seg på diamanten og hemme ytelsen for optikk, sensorer og brikker. Inntil nå var det ikke klart hvorfor sot dannet seg i stedet for diamanter.

Goldilocks‑temperatur og hydrogen

Forskerne fant at det finnes en presis temperatur hvor prosessen danner en diamant. Over denne kritiske temperaturen bidrar acetylén hovedsakelig til diamantvekst. Under denne kritiske temperaturen bidrar den hovedsakelig til sotdannelse.

Kilde: Diamond And Related Materials

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

«Hydrogenatomer driver ikke diamantvekst direkte, men hydrogen‑dissosiasjon, eller nedbrytning, er avgjørende for å omdanne metan til acetylén og transportere atomisk hydrogen til diamantens vekstoverflate. Begge er viktige for diamantvekst.»

Alexander Khrabry – forskningsstipendiat ved Princeton University.

Sammen åpner disse innsiktene i diamantdannelse veien for pålitelig å lage mikroskopiske diamanter direkte inne i silisium‑semikondensatorer uten å skade resten av materialet med høye temperaturer eller skape uønsket sot.

Kvantdiamant

Enkle diamanter laget kun av karbon kan ha noen anvendelser innen optikk og sensorer. Men mer avanserte former for diamanter kan være enda mer nyttige.

For eksempel lages kvantdiamant når noen av karbonatomene som danner diamanten erstattes av andre atomer, som for eksempel nitrogen, og noen andre karbonatomer fjernes. Dette skaper en såkalt nitrogen‑vakuum (NV).

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

«Elektronene i dette materialet oppfører seg ikke i henhold til lovene for klassisk fysikk som tyngre partikler gjør. I stedet, som alle elektroner, oppfører de seg i henhold til lovene for kvantefysikk.”

Alastair Stacey – ledende forskningsforsker og leder for kvantmaterialer og -enheter ved PPPL.

Perfeksjonere diamantoppskriften

Frem til nå har metoden med å bruke plasma for å lage diamanter vært langt fra presis. Den har krevd mye prøving og feiling, siden teorien om hva som egentlig skjer på diamantens overflate ikke er godt forstått.

Ideelt sett kunne plasma også brukes til å legge et mono‑atomisk lag med hydrogen på toppen av diamanten. Men i tilfelle av kvantdiamant ville den høye temperaturen ødelegge nitrogen‑vakuumet.

Derfor bygde forskerne et omfattende analyssystem (ved bruk av fotoluminescensspektroskopi) for å vurdere hva som fungerer best for å lage et hydrogenlag på NV‑diamanter.

Kilde: Advanced Materials Interface

De fant at to nye metoder kunne brukes, selv om hver av dem har sine egne ulemper for øyeblikket.

Kilde: Advanced Materials Interface

• Forming gas annealing, som bruker en blanding av hydrogenmolekyler og nitrogen‑gass, fungerte men krevde svært rent hydrogengass uten oksygen, noe som er vanskelig å oppnå ved lave temperaturer.
• Cold plasma termination, som bruker hydrogenplasma indirekte, skadet ikke NV‑senteret og var enklere å implementere, men skapte et hydrogenlag av lavere kvalitet på diamanten.

«Dette fremhever avveiningen mellom overflatekvalitet og NV‑egenskaper som må balanseres i fremtidige anvendelser. For eksempel, i biomolekylære sensingsprosjekter er det helt avgjørende at NV‑er bevares nær overflater.”

Daniel McCloskey – Researcher at the University of Melbourne.

Samlet sett åpner disse oppdagelsene veien for noen nye, tidligere vanskelige eller umulige anvendelser for diamanter:

• Direkte produksjon på silisium‑semikondensatorer, integrering av diamanter direkte i kretser, sensorer og transistorer.
• Produksjon av kvantdiamant til funksjonelle qubits, inkludert et finjustert hydrogenlag på diamantens overflate.

Nye kvantedatamaskiner

Kvantedatamaskiner har hittil blitt bygget med kjente metoder som stammer fra tradisjonelle produksjonsteknikker brukt av halvlederindustrien. Men siden kvanteteknologi er så forskjellig fra vanlig databehandling, gir det mening at nye materialer sannsynligvis passer bedre enn tradisjonelt silisium.

Dette kan inkludere diamanter, som en dag kan tillate kvantedatabehandling ved romtemperatur, noe som ikke bare vil redusere kostnadene drastisk, men også bidra til å lage større kvantedatamaskiner.

«Å lage en kvantesimulator med mer enn 50 qubits og en kvantedatamaskin ved romtemperatur åpner døren for å skalere opp til et høyere antall qubits, som 100 eller 1000, noe som vil være en spillveksler for områder som kryptografi, AI og materialvitenskap.

Denne evnen vil tillate forskere å oppdage livredende legemidler raskere, løse vanskelige optimaliseringsproblemer, eller utvikle energisparende teknologier mer effektivt.

Martin Koppenhöfer – Project coordinator at SPINUS

I tillegg til diamanter kan andre nye innovative materialer, for eksempel piezoelektriske nanomekaniske resonatorer laget av aluminium nitrid, også brukes til kvantesensorer eller kvanttransdusere.

Samlet sett er det sannsynlig at avanserte nye materialer vil bli et solid alternativ til silisium og drive løftet om kvantedatabehandling mye lenger enn vi kan forestille oss i dag.

Investere i kvantedatabehandling

Kvantedatabehandling er fortsatt i oppstartsfasen, men har allerede fanget oppmerksomheten til alle store datamaskinselskaper som har drevet silisiumrevolusjonen så langt.

Det kan for alltid være begrenset til nisjeapplikasjoner fremfor å bli en del av våre datamaskiner, men det kan fortsatt bli viktig i modellering av fysikk, biologi, materialvitenskap, kryptografi og militære anvendelser.

Du kan investere i kvantedatabehandlingsbedrifter gjennom mange meglere, og du kan her, på securities.io, finne våre anbefalinger for de beste meglerne i USA, Canada, Australia, Storbritannia, og mange andre land.

Hvis du ikke er interessert i å velge spesifikke selskaper, kan du også se på ETF-er som ProShares Nanotechnology ETF (TINY) eller WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) som gir en mer diversifisert eksponering for å dra nytte av kvantedatabehandling‑ og nanotek‑aksjer.

Eller du kan se på vår liste over «Topp 10 nanoteknologiselskaper» og «5 beste kvantedatabehandlingsbedrifter».

Kvantedatabehandlingsbedrifter

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

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

Den er imidlertid i frontlinjen for utviklingen av kvantedatamaskiner. For eksempel utviklet den sin 127‑qubit‑«Eagle» kvantedatamaskin, som ble etterfulgt av et 433‑qubit‑system kjent som «Osprey».

Og dette er nå etterfulgt av «Condor», en 1 121‑superledende qubit‑kvanteprosessor basert på kryss‑resonans‑gate‑teknologi, sammen med «Heron», en kvanteprosessor i spissen av feltet.

Kvantedatamaskiner kan dra nytte av forbedret magnetisk kontroll, som øker qubit‑stabilitet og pålitelighet, noe som er essensielt for prosesseringskraft.

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

IBM er involvert i de fleste andre banebrytende innovasjoner innen databehandling og halvlederindustrien. Disse inkluderer ledende organiske materialer, nevromorfisk databehandling, fotoniikk, osv.

I noen grad har IBM blitt et «patentfirma» med ekspertise i å utvikle nye databehandlingsmetoder og lisensiere dem til industrien.

Så langt ser det ut til at de er svært bestemte på å holde så mange nøkkelpatenter som mulig innen alle ikke‑silisium‑databehandlingsmetoder de kan få tak i, og gjenskaper sin tidligere suksess ved å bidra massivt til utviklingen av halvlederindustrien til den giganten den er i dag.

Studierreferanse:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Quantum chemistry model of surface reactions and kinetic model of diamond growth: Effects of CH₃ radicals and C₂H₂ molecules at low-temperature 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). Methods for color center preserving hydrogen-termination of diamond. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}