Kan diamanter låsa upp förbättrade qubitar för kvantdatorer?

Använda diamant för kvantdatorer

Till skillnad från vanliga datorer som använder bitar (0 och 1) använder kvantdatorer ”qubitar”. Qubitar kan existera i flera tillstånd samtidigt tack vare två kvantegenskaper: superposition och intrassling.

• Superposition Gör att qubitar kan representera både 0 och 1 samtidigt, vilket exponentiellt ökar den data som kan bearbetas jämfört med klassiska bitar.
• Intrassling Länkar qubitar på ett sätt så att tillståndet för en qubit omedelbart kan påverka en annan, även över stora avstånd.

Dessa egenskaper gör det möjligt för QPU:er att lösa mycket komplexa problem mycket snabbare än klassiska datorer genom att utforska flera lösningar samtidigt.

“Fördelen med qubitar är att de kan lagra mycket mer information än vanliga bitar. Detta innebär att de också kan ge oss mycket mer information om deras omgivning, vilket gör dem extremt värdefulla som sensorer, till exempel.”Alastair Stacey- Managing principal research physicist and head of quantum materials and devices at PPPL.

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

Så vad händer om vi istället förlitar oss på ett av jordens hårdaste material – diamant – för att utföra uppgifter i vår mest avancerade dator? Detta är visionen hos forskare vid Princeton University, som nyligen publicerade i Diamond And Related Materials, under titeln “Quantum chemistry model of surface reactions and kinetic model of diamond growth: Effects of CH3 radicals and C2H2 molecules at low-temperatures CVD¹”.

Detta kompletterar arbeten av andra forskare vid University of Melbourne och Princeton University, publicerade under titeln “Methods for Color Center Preserving Hydrogen-Termination of Diamond².”

Odla diamanter på begäran

Diamanter, historiskt bara en naturlig sten, tillverkas idag mestadels från råkol. Denna process kräver dock mycket hög värme och tryck, så den kan inte kombineras med andra material som kisel som används i datorkretsar. För detta behövs diamantproduktion vid låg temperatur.

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.

Goldilocks-temperatur och väte

Forskarna fann att det finns en exakt temperatur där processen skapar en diamant. Över denna kritiska temperatur bidrar acetylengas främst till diamanttillväxt. Under denna kritiska temperatur bidrar den främst till sotbildning.

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 – Princeton University Research Scholar

Tillsammans öppnar dessa insikter om diamantbildning vägen för att på ett pålitligt sätt skapa mikroskopiska diamanter direkt i kiselsemiconductorer utan att skada resten av materialet med höga temperaturer eller skapa oönskat sot.

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.

Till exempel tillverkas kvantdiamanter när vissa av kolatomerna som bildar diamanten ersätts av andra atomer, till exempel kväve, och några andra kolatomer helt tas bort. Detta skapar en så kallad kväve‑vakans (NV).

I en sådan diamant börjar elektronerna inuti följa kvantregler istället för klassisk fysik, vilket kan användas för att bygga qubitar.

“Elektronerna i detta material beter sig inte enligt lagarna för klassisk fysik som tyngre partiklar gör. Istället, likt alla elektroner, beter de sig enligt lagarna för kvantfysik.”Alastair Stacey- Managing principal research physicist and head of quantum materials and devices at PPPL.

Perfektera diamantreceptet

Hittills har metoden att använda plasma för att skapa diamanter varit långt ifrån exakt. Den har inneburit mycket trial-and-error, eftersom teorin om vad som exakt händer på diamantens yta inte är väl förstådd.
https://www.youtube.com/watch?v=DpgFRRIUb-8
Idealiskt skulle plasma också kunna användas för att lägga ett monoatomärt lager av väte ovanpå diamanten. Men i fallet med kvantdiamanter skulle den höga temperaturen förstöra kväve‑vakansen.
Därför byggde forskarna ett avancerat analytiskt system (med fotoluminiscensspektroskopi) för att bedöma vad som fungerar bäst för att skapa ett väte lager på NV-diamanter.

De fann att två nya metoder kunde användas, även om varje metod för närvarande har sina egna nackdelar.

• Forming gas-annealing, som använder en blandning av vätemolekyler och kvävgas, fungerade men krävde mycket ren vätegas utan någon syre, vilket är svårt att uppnå vid låga temperaturer.
• Cold plasma-termination, som använder väteplasma indirekt, skadade inte NV-centret och var enklare att implementera, men skapade ett lägre kvalitet på väte lagret på diamanten.

“Detta belyser avvägningen mellan ytkvalitet och NV‑egenskaper som måste balanseras i framtida tillämpningar. Till exempel, i biomolekylära sensningsprojekt är det absolut avgörande att NV:n bevaras nära ytorna.”
Daniel McCloskey – Forskare vid University of Melbourne. 

Sammanfattningsvis öppnar dessa upptäckter vägen för några nya, tidigare svåra eller omöjliga tillämpningar för diamanter:

• Direkt produktion på kiselsemiconductorer, där diamanter integreras direkt i kretsar, sensorer och transistorer.
• Tillverkning av kvantdiamanter till funktionella qubitar, inklusive ett finjusterat väte lager på diamantens yta.

Nya kvantdatorer

Kvantdatorer har hittills byggts med kända metoder som härrör från traditionella tillverkningstaktiker som används av halvledarindustrin. Men med kvantteknik så annorlunda från vanlig databehandling är det logiskt att nya material sannolikt passar bättre än traditionellt kisel.
Det kan inkludera diamanter, vilket en dag kan möjliggöra kvantdatorer som fungerar vid rumstemperatur, något som inte bara skulle minska kostnaderna drastiskt utan också underlätta skapandet av större kvantdatorer.

“Att skapa en kvantsimulator med mer än 50 qubitar och en kvantdator som fungerar vid rumstemperatur öppnar dörren för att skala upp till ett högre antal qubitar, som 100 eller 1000, vilket skulle vara en spelväxlare för områden som kryptografi, AI och materialvetenskap.”

Denna förmåga skulle möjliggöra för forskare att snabbare upptäcka livräddande läkemedel, lösa svåra optimeringsproblem eller utveckla energisparande teknologier mer effektivt.

Martin Koppenhöfer – Projektkoordinator at SPINUS

Förutom diamanter kan andra nya innovativa material som till exempel piezoelektriska nanomekaniska resonatorer gjorda av aluminiumnitrat kan också användas för kvantsensorer eller kvanttransduktorer.
Sammanfattningsvis är det sannolikt att avancerade nya material blir ett solidt alternativ till kisel och driver löftet om kvantdatorer mycket längre än vad vi kan föreställa oss idag.

Investera i kvantdatorer

Kvantdatorer är fortfarande i sin startfas men har redan fångat uppmärksamheten hos alla stora datortillverkare som hittills drivit silikonsrevolutionen.
Det kan för alltid vara begränsat till nischade tillämpningar snarare än att finnas i våra datorer, men det kan ändå bli avgörande för modellering av fysik, biologi, materialvetenskap, kryptografi och militära tillämpningar.
Du kan investera i kvantdatorföretag genom många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Canada, Australia, UK, samt många andra länder.
Om du inte är intresserad av att välja specifika företag kan du också titta på ETF:er som ProShares Nanotechnology ETF (TINY) eller WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) (WT ) som ger en mer diversifierad exponering för att dra nytta av kvantdator- och nanoteknikaktier.
Eller så kan du titta på vår lista över “Top 10 Nanotechnology Stocks” och “5 Best Quantum Computing Companies”.

Företag inom kvantdatorer

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) var den ledande kraften bakom kommersialiseringen av den första stordatorn.

Dock har den nyligen hamnat efter i produktionsvolymen jämfört med andra teknikjättar som Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), och NVIDIA (NVDA )

Den är dock i framkant av utvecklingen av kvantdatorer. Till exempel utvecklade den sin 127-qubits “Eagle” kvantdator, som följdes av ett 433-qubits system känt som “Osprey”.

Och detta är nu följt av “Condor”, en 1,121 superledande qubit‑kvantprocessor baserad på cross‑resonance gate‑teknik, tillsammans med “Heron”, en kvantprocessor i fältets allra framkant.

Kvantdatorer kan dra nytta av förbättrad magnetisk kontroll, vilket ökar qubit‑stabilitet och pålitlighet, vilket är avgörande för beräkningskraft.

På samma sätt kan framsteg inom supraledare, som förlitar sig på kontrollerade magnetfält, leda till mer effektiv energitransmission och kylsystem, särskilt vid högre temperaturer.

IBM är involverat i de flesta andra banbrytande innovationer inom databehandling och halvledarindustrin. Dessa inkluderar ledande organiska material, neuromorfisk beräkning, fotonic, etc.

Till viss del har IBM blivit ett “patentföretag” med expertis i att utveckla nya beräkningsmetoder och licensiera dem till industrin.

Hittills verkar det mycket bestämt att behålla så många nyckelpatent som möjligt inom alla icke‑silicon‑beräkningsmetoder, vilket återupprepar dess tidigare framgång när den bidrog massivt till att utveckla halvledarindustrin till den jätte den är idag.

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., 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}