Os Diamantes Poderiam Desbloquear Qubits Aprimorados para Computação Quântica?

Usando Diamante para Computação Quântica

Ao contrário dos computadores normais que utilizam bits (0 e 1), os computadores quânticos utilizam “qubits”. Qubits podem existir em múltiplos estados simultaneamente graças a duas propriedades quânticas: superposição e emaranhamento.

• Superposição permite que os qubits representem tanto 0 quanto 1 ao mesmo tempo, aumentando exponencialmente os dados que podem ser processados em comparação com bits clássicos.
• Emaranhamento liga os qubits de forma que o estado de um qubit pode afetar instantaneamente outro, mesmo a grandes distâncias.

Essas propriedades permitem que QPUs resolvam problemas altamente complexos muito mais rápido que os computadores clássicos ao explorar múltiplas soluções simultaneamente.

“A vantagem dos qubits é que eles podem armazenar muito mais informação do que bits regulares. Isso significa que eles também podem nos fornecer muito mais informações sobre seu ambiente, tornando-os extremamente valiosos como sensores, por exemplo.”

Alastair Stacey – Físico de pesquisa principal e chefe de materiais e dispositivos quânticos no PPPL.

No entanto, os qubits são extremamente frágeis, e medir suas propriedades não é uma tarefa fácil.

E se, ao invés disso, contássemos com um dos materiais mais duros da Terra – o diamante – para executar tarefas em nosso computador mais avançado? Essa é a visão de pesquisadores da Universidade de Princeton, que publicaram recentemente na Diamond And Related Materials, sob o título “Modelo de química quântica de reações de superfície e modelo cinético de crescimento de diamante: Efeitos de radicais CH₃ e moléculas C₂H₂ em CVD de baixa temperatura¹”.

Isso se junta aos trabalhos de outros pesquisadores da Universidade de Melbourne e da Universidade de Princeton, publicados sob o título “Métodos para Preservação de Centros de Cor com Terminação de Hidrogênio em Diamante²”.

Crescendo Diamantes sob Demanda

Diamantes, historicamente apenas uma pedra natural, são hoje em grande parte fabricados a partir de carbono bruto. No entanto, esse processo requer calor e pressão muito intensos, de modo que não pode ser combinado com outros materiais como o silício usado em chips de computador. Para isso, é necessária a fabricação de diamantes em baixa temperatura.

Alguns métodos já foram explorados, como o uso de acetileno e uma técnica chamada “deposição química de vapor assistida por plasma”.

Fonte: PPPL

O problema é que, embora possa crescer diamantes microscópicos, também deposita muito fuligem, que pode se acumular sobre o diamante e impedir o desempenho em óptica, sensores e chips. Até agora não estava claro por que a fuligem se formava em vez de diamantes.

Temperatura Goldilocks e Hidrogênio

Os pesquisadores descobriram que há uma temperatura precisa na qual o processo cria um diamante. Acima dessa temperatura crítica, o acetileno contribui principalmente para o crescimento do diamante. Abaixo dessa temperatura crítica, ele contribui principalmente para o crescimento de fuligem.

Fonte: Diamond And Related Materials

Outro fator é a atividade dos átomos de hidrogênio próximo à superfície do diamante. Com mais hidrogênio próximo à superfície, mais diamantes podem se formar, mesmo em temperaturas mais baixas.

“Átomos de hidrogênio não alimentam diretamente o crescimento do diamante, mas a dissociação do hidrogênio, ou quebra, é crucial para transformar metano em acetileno e transportar hidrogênio atômico para a superfície de crescimento do diamante. Ambos são importantes para o crescimento do diamante,”

Alexander Khrabry – Pesquisador da Universidade de Princeton

Juntas, essas percepções sobre a formação de diamantes abrem caminho para criar de forma confiável diamantes microscópicos diretamente dentro de semicondutores de silício sem danificar o restante do material com altas temperaturas ou criar fuligem indesejada.

Diamantes Quânticos

Diamantes simples feitos apenas de carbono poderiam ter algumas aplicações em óptica e sensores. Mas formas mais avançadas de diamantes podem ser ainda mais úteis.

Por exemplo, diamantes quânticos são produzidos quando alguns dos átomos de carbono que formam o diamante são substituídos por outros átomos, como nitrogênio, e alguns outros átomos de carbono são simplesmente removidos. Isso cria um chamado defeito nitrogênio-vacância (NV).

Em tal diamante, os elétrons internos passam a obedecer às regras quânticas em vez da física clássica, o que poderia ser usado para construir qubits.

“Os elétrons neste material não se comportam de acordo com as leis da física clássica como partículas mais pesadas. Em vez disso, como todos os elétrons, eles se comportam de acordo com as leis da física quântica.”

Alastair Stacey – Físico de pesquisa principal e chefe de materiais e dispositivos quânticos no PPPL.

Aperfeiçoando a Receita do Diamante

Até agora, o método de usar plasma para criar diamantes estava longe de ser preciso. Era baseado em muito tentativa e erro, já que a teoria do que exatamente acontece na superfície do diamante não é bem compreendida.

Idealmente, o plasma também poderia ser usado para adicionar uma camada monoatômica de hidrogênio sobre o diamante. Mas, no caso dos diamantes quânticos, a alta temperatura destruiria a vacância de nitrogênio.

Portanto, os pesquisadores construíram um sistema analítico elaborado (usando espectroscopia de fotoluminescência) para avaliar o que funciona melhor na criação de uma camada de hidrogênio em diamantes NV.

Fonte: Advanced Materials Interface

Eles descobriram que 2 novos métodos poderiam ser usados, embora cada um tenha suas próprias desvantagens por enquanto.

Fonte: Advanced Materials Interface

• Recozimento em gás de formação, que utiliza uma mistura de moléculas de hidrogênio e gás nitrogênio, funcionou mas exigiu gás hidrogênio muito puro sem oxigênio, algo difícil de alcançar em baixas temperaturas.
• Terminação por plasma frio, que utiliza plasma de hidrogênio indiretamente, não danificou o centro NV e foi mais fácil de implementar, mas criou uma camada de hidrogênio de qualidade inferior no diamante.

“Isso destaca o trade‑off entre a qualidade da superfície e as propriedades NV que precisarão ser equilibradas em aplicações futuras. Por exemplo, em projetos de detecção biomolecular, é absolutamente crucial que os NVs sejam preservados próximos às superfícies.”

Daniel McCloskey – Pesquisador na Universidade de Melbourne.

No geral, essas descobertas abrem caminho para algumas novas aplicações, antes difíceis ou impossíveis, para diamantes:

• Produção direta em semicondutores de silício, integrando diamantes diretamente em circuitos, sensores e transistores.
• Produção de diamantes quânticos em qubits funcionais, incluindo uma camada de hidrogênio finamente ajustada na superfície do diamante.

Novos Computadores Quânticos

Até agora, os computadores quânticos foram construídos a partir de métodos conhecidos derivados das táticas tradicionais de fabricação usadas pela indústria de semicondutores. Mas, com a tecnologia quântica tão diferente da computação normal, faz sentido que novos materiais sejam provavelmente mais adequados do que o silício tradicional.

Isso pode incluir diamantes, permitindo um dia a computação quântica em temperatura ambiente, algo que não só reduziria drasticamente os custos, mas também ajudaria na criação de computadores quânticos maiores.

“Construir um simulador quântico com mais de 50 qubits e um computador quântico em temperatura ambiente abre a porta para escalar para um número maior de qubits, como 100 ou 1000, o que seria revolucionário para áreas como criptografia, IA e ciência dos materiais.

Essa capacidade permitiria que cientistas descobrissem medicamentos que salvam vidas mais rapidamente, resolvessem problemas de otimização difíceis ou desenvolvessem tecnologias de economia de energia de forma mais eficiente.

Martin Koppenhöfer – Coordenador de projeto no SPINUS

Além dos diamantes, outros materiais inovadores, como por exemplo resonadores nanomecânicos piezoelétricos feitos de nitreto de alumínio, que também poderiam ser usados para sensores quânticos ou transdutores quânticos.

No geral, é provável que materiais avançados se tornem uma alternativa sólida ao silício e impulsionem a promessa da computação quântica muito além do que podemos imaginar hoje.

Investindo em Computação Quântica

A computação quântica está apenas começando, mas já chamou a atenção de todas as grandes empresas de computação que impulsionaram a revolução do silício até agora.

Ela pode permanecer limitada a aplicações de nicho mais do que estar presente em nossos computadores, mas ainda pode se tornar instrumental na modelagem de física, biologia, ciências dos materiais, criptografia e aplicações militares.

Você pode investir em empresas de computação quântica através de várias corretoras, e pode encontrar aqui, no securities.io, nossas recomendações das melhores corretoras nos EUA, Canadá, Austrália, Reino Unido, bem como muitos outros países.

Se você não tem interesse em escolher empresas específicas, pode também olhar para ETFs como o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ou o WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD), que proporcionarão uma exposição mais diversificada para capitalizar em ações de computação quântica e nanotecnologia.

Ou você pode conferir nossa lista das “Top 10 Ações de Nanotecnologia” e “5 Melhores Empresas de Computação Quântica”.

Empresas de Computação Quântica

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) foi a força líder por trás da comercialização do primeiro computador mainframe.

No entanto, recentemente ficou atrás em volume de produção de outros gigantes de tecnologia como Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), e NVIDIA (NVDA )

Ela, porém, está na vanguarda do desenvolvimento de computadores quânticos. Por exemplo, desenvolveu seu computador quântico de 127 qubits “Eagle”, que foi seguido por um sistema de 433 qubits conhecido como “Osprey”.

E isso agora é seguido por “Condor”, um processador quântico supercondutor de 1.121 qubits baseado em tecnologia de porta cross‑resonance, juntamente com “Heron”, um processador quântico na vanguarda do campo.

Computadores quânticos poderiam se beneficiar de controle magnético aprimorado, aumentando a estabilidade e confiabilidade dos qubits, essenciais para o poder de processamento.

Da mesma forma, avanços em supercondutores, que dependem de campos magnéticos controlados, poderiam levar a transmissão de energia e sistemas de refrigeração mais eficientes, particularmente em temperaturas mais altas.

IBM está envolvida na maioria das outras inovações de ponta em computação e na indústria de semicondutores. Estas incluem materiais orgânicos condutores, computação neuromórfica, fotônica, etc.

Em certa medida, a IBM se tornou uma “empresa de patentes” com expertise em desenvolver novos métodos de computação e licenciá‑los para a indústria.

Até agora, parece estar muito determinada a manter o maior número possível de patentes chave em todos os métodos de computação não‑silício que conseguir, replicando seu sucesso passado ao contribuir massivamente para o desenvolvimento da indústria de semicondutores até o gigante que é hoje.

Referência do Estudo:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Modelo de química quântica de reações de superfície e modelo cinético de crescimento de diamante: Efeitos de radicais CH₃ e moléculas C₂H₂ em CVD de baixa temperatura. 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). Métodos para Preservação de Centros de Cor com Terminação de Hidrogênio em Diamante. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}