Kan diamanter låsa upp förbättrade qubitar för kvantdatorer?

Använda diamant för kvantdatorer

Klassiska datorer använder bitar med värdet 0 eller 1. Kvantdatorer använder kvantbitar, vars tillstånd kan beskrivas med hjälp av bland annat superposition och kvantsammanflätning.

• Superposition En kvantbit kan vara i en superposition av bastillstånden 0 och 1. Vid mätning erhålls ett klassiskt utfall; alla amplituder kan inte läsas ut som separata lagrade bitar.
• Kvantsammanflätning Sammanflätade kvantbitar har korrelationer som inte kan beskrivas som oberoende klassiska tillstånd. Detta möjliggör inte överföring av information snabbare än ljuset.

Med lämpliga algoritmer kan kvantprocessorer lösa vissa problem effektivare än kända klassiska metoder. De är inte automatiskt snabbare för alla problem.

Alastair Stacey framhåller också kvanttillståndens värde för sensorer, där deras känslighet kan ge information om omgivningen.Alastair Stacey — ledande forskare och chef för kvantmaterial och kvantkomponenter vid PPPL.

Dock är qubitar extremt ömtåliga, och att mäta deras egenskaper är ingen enkel uppgift.

Diamantens egenskaper gör den intressant för elektronik och kvantsensorer. Forskare vid Princeton Plasma Physics Laboratory och Princeton University studerade diamanttillväxt i en artikel i Diamond and Related Materials med titeln «En kvantkemisk modell av ytreaktioner och en kinetisk modell av diamanttillväxt: effekter av CH₃-radikaler och C₂H₂-molekyler vid CVD vid låg temperatur¹».

En separat studie av diamantytor och färgcentra, med forskare från bland annat Melbourne och Princeton, publicerades som «Metoder för väteavslutning av diamantytor med bevarade färgcentra²».

Odla diamanter på begäran

Syntetisk diamant kan framställas med högt tryck och hög temperatur eller genom kemisk ångdeposition, CVD. Den tillverkas inte generellt från råkol. För integrering med känslig elektronik är lägre processtemperaturer särskilt intressanta.

Vissa metoder har redan undersökts, såsom att använda acetylengas och en teknik kallad “plasmaförstärkt kemisk ångdeposition”.

Problemet är att medan den kan odla mikroskopiska diamanter, avsätter den också mycket sot, vilket kan bildas på diamanten och hämma prestanda för optik, sensorer och kretsar. Fram till nu var det oklart varför sotet bildades istället för diamanter.

Temperaturens och vätets betydelse

Modellstudien beskriver hur acetylens bidrag till diamant- respektive sotbildning ändras med temperaturen. Den kritiska temperaturen beror även på bland annat koncentrationen av acetylen och atomärt väte.

En annan faktor är aktiviteten hos väteatomer nära diamantens yta. Med mer väte nära ytan kan fler diamanter bildas, även vid lägre temperaturer.

“Väteatomer driver inte diamanttillväxten direkt, men vätedissociation, eller sönderfall, är avgörande för att omvandla metan till acetylengas och transportera atomärt väte till diamantens tillväxtyta. Båda är viktiga för diamanttillväxten,”
Alexander Khrabry — forskare vid Princeton University.

Resultaten kan bidra till utvecklingen av diamanttillväxt vid lägre temperatur. De visar inte att en färdig industriell process redan säkert integrerar diamant i alla kiselkretsar.

Kvantdiamanter

Enkla diamanter som bara består av kol kan ha vissa tillämpningar inom optik och sensorer. Men mer avancerade former av diamanter kan vara ännu mer användbara.

Ett kväve-vakanscentrum, NV-centrum, består av en kväveatom som ersätter en kolatom och en intilliggande tom plats i diamantgittret. Sådana defekter kan användas för kvantteknik.

Elektroner följer kvantfysikens lagar även i vanliga material. NV-centrets särskilda elektroniska och spinnegenskaper gör det användbart som kvantsystem.

Stacey förklarar att det är dessa kontrollerbara kvantegenskaper som forskare vill utnyttja.Alastair Stacey — chef för kvantmaterial och kvantkomponenter vid PPPL.

Perfektera diamantreceptet

Plasmabehandling kan användas för att fästa väte på diamantytan. Utmaningen är att få ett jämnt ytskikt utan att skada NV-centren nära ytan.
https://www.youtube.com/watch?v=DpgFRRIUb-8
Forskarna använde fotoluminiscensspektroskopi för att jämföra hur olika behandlingar påverkade NV-centren.

Två alternativa metoder kunde bevara NV-centren, men gav olika avvägningar mellan ytkvalitet och processförhållanden.

• Glödgning i formiergas, en blandning av väte och kväve, gav ett vätebehandlat ytskikt. Resultatet var känsligt för temperatur och syreföroreningar. Att avlägsna syre kunde kräva temperaturer över 900 °C.
• Ytbehandling med kall plasmaundvek direkt uppvärmning av diamanten med plasman och bevarade NV-centren i försöken. Ytskiktet hade dock lägre kvalitet än vid den traditionella uppvärmda plasmabehandlingen.

Daniel McCloskey beskriver en avvägning mellan ytskiktets kvalitet och bevarandet av NV-centra, särskilt för sensorer nära ytan.
Daniel McCloskey – Forskare vid University of Melbourne. 

Resultaten ger underlag för fortsatt utveckling av diamantbaserad elektronik och kvantsensorer:

• Diamanttillväxt vid lägre temperatur för möjlig integrering med kiselteknik.
• Kontroll av diamantytans kemi samtidigt som användbara NV-centra bevaras.

Nya kvantdatorer

Kvantdatorer byggs med flera olika tekniker, bland annat supraledande kretsar, fångade joner och defekter i fasta material. Diamantbaserade spinnsystem kan i vissa fall fungera vid rumstemperatur. Det betyder inte att alla komponenter i en storskalig kvantdator kan drivas utan kylning eller annan specialutrustning.

SPINUS-projektet beskrev mål för rumstempererade diamantbaserade system, bland annat en kvantsimulator med fler än 50 kvantbitar och en demonstrator för kvantberäkning med omkring 10 kvantbitar. Större system var framtida utvecklingsmål, inte redan uppnådda resultat.

Sådana system kan på sikt bidra till forskning om material och andra specifika problem. Praktisk nytta beror på kontroll, felkorrigering och vilka algoritmer som kan genomföras.

Martin Koppenhöfer – Projektkoordinator vid SPINUS

Ett annat exempel på material för kvantteknik är piezoelektriska nanomekaniska resonatorer av aluminiumnitrid, som kan användas i forskning om kvantsensorer och kvantomvandlare.
Nya material kompletterar befintlig halvledarteknik och kan öppna fler vägar inom kvantberäkning och kvantavkänning.

Investera i kvantdatorer

Kvantdatorer är fortfarande under utveckling. De kan bli användbara för särskilda problem inom bland annat fysik och materialvetenskap, utan att ersätta vanliga datorer för alla uppgifter.

Företag med anknytning till kvantteknik kan handlas genom olika mäklare. På securities.iohittar du våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, samt många andra länder.

För den som vill undersöka börshandlade fonder finns exempelvis ProShares Nanotechnology ETF (TINY) eller WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) inom molnprogramvara. TINY är inriktad på nanoteknik; WCLD är inte en renodlad kvantdatorfond. Dessa teman och deras innehav behöver bedömas var för sig.

Se även våra artiklar «Tio nanoteknikaktier» och «Fem företag inom kvantdatorer».

Företag inom kvantdatorer

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) spelade en viktig roll i utvecklingen och kommersialiseringen av stordatorer.

Apple (AAPL ), TSMC (TSM ) och NVIDIA (NVDA ) har andra affärsmodeller, så tillverkningsvolymer är inte en direkt jämförbar måttstock.

IBM presenterade Eagle med 127 fysiska kvantbitar 2021 och Osprey med 433 kvantbitar 2022.

År 2023 följde Condor, en processor med 1 121 supraledande kvantbitar , och Heron med en annan arkitektur. Antalet fysiska kvantbitar är inte ensamt ett mått på användbar beräkningskraft.

Kvantbitarnas stabilitet och tillförlitlighet beror på material, styrning och felhantering. Diamantstudierna visar inte i sig någon förbättring av IBM:s processorer.

Framsteg inom supraledande material kan vara relevanta för andra tekniska system, men de ska skiljas från forskningen om diamantbaserade kvantbitar.

IBM bedriver även forskning inom bland annat ledande organiska material, neuromorfisk beräkning, fotonik.

IBM kombinerar forskning och patent med verksamhet inom programvara, konsulttjänster och infrastruktur.

Nya beräkningsmetoder är en del av denna bredare verksamhet; företaget är inte enbart ett patentbolag.

Studierreferens:

^{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., Roberts, D., Rodgers, L. V. H., et al. (2024). Methods for color center preserving hydrogen-termination of diamond. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 2400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}