Kan diamanter låsa upp förbättrade Qubits för kvantberäkning?

Använder diamant för kvantberäkning

Till skillnad från vanliga datorer som använder bitar (0 & 1), använder kvantdatorer "qubits". Qubits kan existera i flera tillstånd samtidigt tack vare två kvantegenskaper: överlagring och intrassling.

• super~~POS=TRUNC tillåter qubits att representera både 0 och 1 samtidigt, vilket exponentiellt ökar data som kan bearbetas jämfört med klassiska bitar.
• Trassel länkar qubits på ett sådant sätt 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 qubits är att de kan hålla mycket mer information än vanliga bitar kan. Det betyder att de också kan ge oss mycket mer information om sin miljö, vilket gör dem extremt värdefulla som sensorer, till exempel.”

Alastair Stacey - Chef för forskningsfysiker och chef för kvantmaterial och enheter vid PPPL.

Qubits är dock extremt ömtåliga, och det är ingen lätt uppgift att mäta deras egenskaper.

Så tänk om vi istället räknade med ett av de hårdaste materialen på jorden – diamant – för att utföra uppgifter i vår mest avancerade dator? Detta är visionen för forskare vid Princeton University, som nyligen publicerade i Diamond And Related Materials, under titeln "Kvantkemimodell av ytreaktioner och kinetisk modell för diamanttillväxt: Effekter av CH3-radikaler och C2H2-molekyler vid låga temperaturer CVD¹".

Detta ansluter sig till verk av andra forskare vid University of Melbourne och Princeton University, publicerat under titeln "Metoder för färgcentrumbevarande av väte-terminering av diamant². "

Odla diamanter på begäran

Diamanter, historiskt sett bara en natursten, tillverkas för det mesta av råkol idag. Denna process kräver dock mycket intensiv värme och tryck, så den kan inte kombineras med andra material som kisel som används i datorchips. För detta behövs lågtemperatur diamanttillverkning.

Vissa metoder har redan utforskats, som att använda acetylen och en teknik som kallas "plasmaförstärkt kemisk ångavsättning".

Källa: PPPL

Problemet med det är att även om det kan odla mikroskopiska diamanter, avsätter det också mycket sot, vilket kan växa ovanpå diamanten och hämma prestanda för optik, sensorer och chips. Hittills var det inte klart varför sotet bildades istället för diamanter.

Guldlockens temperatur & väte

Forskarna fann att det finns en exakt temperatur vid vilken processen skapar en diamant. Över denna kritiska temperatur bidrar acetylen mest till diamanttillväxt. Under denna kritiska temperatur bidrar den mest till sottillväxt.

Källa: Diamant och relaterade material

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

"Väteatomer driver inte diamanttillväxt direkt, men vätedissociation, eller nedbrytning, är avgörande för att omvandla metan till acetylen och transportera atomärt väte till diamanttillväxtytan. Dessa är båda viktiga för diamanttillväxt.

Alexander Khrabry – Princeton University Research Scholar

Tillsammans öppnar dessa insikter i diamantbildning vägen för att tillförlitligt skapa mikroskopiska diamanter direkt inuti kiselhalvledare utan att skada resten av materialet med höga temperaturer eller skapa oönskat sot.

Kvantdiamanter

Enkla diamanter gjorda endast på kol kan ha vissa tillämpningar inom optik och sensorer. Men mer avancerade former av diamanter kan vara ännu mer användbara.

Till exempel skapas kvantdiamanter när några av kolatomerna som bildar diamanten ersätts med andra atomer, som till exempel kväve, och vissa andra kolatomer bara avlägsnas. Detta skapar en så kallad kvävevakans (NV).

I en sådan diamant börjar elektronerna inuti följa kvantregler istället för klassisk fysik, som skulle kunna användas för att bygga qubits.

"Elektronerna i det här materialet beter sig inte enligt den klassiska fysikens lagar som tyngre partiklar gör. Istället, som alla elektroner, beter de sig enligt kvantfysikens lagar.”

Alastair Stacey - Chef för forskningsfysiker och chef för kvantmaterial och enheter vid PPPL.

Perfecting the Diamond Cookbook

Fram till nu har metoden att använda plasma för att skapa diamanter varit långt ifrån exakt. Det användes mycket trial and error, eftersom teorin om vad som exakt händer vid ytan av diamanten inte är väl förstådd.

Helst skulle plasma också kunna användas för att lägga till ett monoatomiskt lager av väte ovanpå diamanten. Men i fallet med kvantdiamanter skulle den höga temperaturen förstöra kvävevakansen.

Så forskarna byggde ett utarbetat analytiskt system (med fotoluminescensspektroskopi) för att bedöma vad som fungerar bäst för att skapa ett vätelager på NV-diamanter.

Källa: Avancerat materialgränssnitt

De fann att två nya metoder kunde användas, även om var och en har sina egna nackdelar för närvarande.

Källa: Avancerat materialgränssnitt

• Bildande gasglödgning, som använder en blandning av vätemolekyler och kvävgas, fungerade men krävde mycket ren vätgas utan något syre, något svårt att uppnå vid låga temperaturer.
• Kall plasmaterminering, som använder väteplasma indirekt, skadade inte NV-centret och var lättare att implementera, men skapade en lägre kvalitet på väteskiktet på diamanten.

"Detta belyser avvägningen mellan ytkvalitet och NV-egenskaper som kommer att behöva balanseras i framtida applikationer. Till exempel i biomolekylära avkänningsprojekt är det helt avgörande att NV:er bevaras nära ytor.”

Daniel McCloskey - Rforskare vid University of Melbourne. 

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

• Direkt produktion på kiselhalvledare, integrera diamanter direkt i kretsar, sensorer och transistorer.
• Produktion av kvantdiamanter till funktionella qubits, inklusive ett finjusterat väteskikt på diamantens yta.

Nya kvantdatorer

Kvantdatorer har hittills byggts av kända metoder som härrör från den traditionella tillverkningstaktiken som används av halvledarindustrin. Men med kvantteknik som skiljer sig så mycket från normal datoranvändning är det vettigt att nya material troligen passar bättre än traditionellt kisel.

Detta kan inkludera diamanter, för en dag som tillåter kvantberäkning att utföras vid rumstemperatur, något som inte bara skulle minska kostnaderna drastiskt utan också hjälpa till att skapa större kvantdatorer.

"Att göra en kvantsimulator med mer än 50 qubits och en rumstemperatur kvantdator öppnar dörren för att skala upp till ett högre antal qubits, som 100 eller 1000, vilket skulle vara en spelväxlare för områden som kryptografi, AI och materialvetenskap.

Denna förmåga skulle göra det möjligt för forskare att upptäcka livräddande läkemedel snabbare, lösa svåra optimeringsproblem eller utveckla energibesparande teknologier mer effektivt."

Martin Koppenhöfer - Projektkoordinator hos SPINUS

Förutom diamanter, andra nya innovativa material som t.ex piezoelektriska nanomekaniska resonatorer gjorda av aluminiumnitrid kan också användas för kvantsensorer eller kvantomvandlare.

Sammantaget är det troligt att avancerade nya material kommer att vara ett solidt alternativ till kisel och driva löftet om kvantberäkning mycket längre än vi kunde gissa idag.

Investera i kvantdatorer

Quantum computing börjar bara komma igång men har redan fångat uppmärksamheten hos alla stora datorföretag som har drivit kiselrevolutionen hittills.

Det kan för alltid vara begränsat till nischapplikationer mer än vad som sker i våra datorer, men det kan fortfarande bli instrumentellt i modelleringen av fysik, biologi, materialvetenskap, kryptografi och militära applikationer.

Du kan investera i kvantberäkningsföretag genom många mäklare, och du kan hitta här, på värdepapper.io, våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, liksom 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 den WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) vilket kommer att ge en mer diversifierad exponering för att kapitalisera på kvantdator- och nanoteknikaktier.

Eller så kan du titta på vår lista över "Topp 10 Nanoteknikaktier”Och "5 bästa kvantdatorföretag".

Quantum Computing företag

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

Den har dock nyligen hamnat efter i produktionsvolymen för andra teknikjättar som Apple (AAPL )TSMC (TSM ), och NVIDIA (NVDA )

Det ligger dock i framkant av utvecklingen av kvantdatorer. Till exempel utvecklade den sin 127-qubit "Eagle" kvantdator, som följdes av ett 433-qubit-system känt som "Osprey".

Och det här är nu följt av "Condor", en 1,121 XNUMX supraledande kvantprocessor baserad på cross-resonance gate-teknologi, tillsammans med "Heron", en kvantprocessor i yttersta kanten av fältet.

Kvantdatorer kan dra nytta av förbättrad magnetisk kontroll, förbättra qubit-stabilitet och tillförlitlighet, vilket är avgörande för processorkraft.

På liknande sätt kan framsteg inom supraledare, som är beroende av kontrollerade magnetfält, leda till effektivare energiöverföring och kylsystem, särskilt vid högre temperaturer.

IBM är involverat i de flesta andra banbrytande innovationer inom dator- och halvledarindustrin. Dessa inkluderar leder organiskt material, neuromorf databehandling, fotonikEtc.

I viss mån har IBM blivit ett "patentföretag" med expertis i att utveckla nya beräkningsmetoder och licensiera dem till branschen.

Hittills verkar det vara mycket beslutsamt att inneha så många nyckelpatent i alla icke-kiselberäkningsmetoder som det kan få, vilket replikerar dess tidigare framgångar när de bidragit massivt till att utveckla halvledarindustrin till den jätte den är idag.

Studiereferens:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). Kvantkemimodell för ytreaktioner och kinetisk modell för diamanttillväxt: Effekter av CH₃-radikaler och C₂H₂-molekyler vid lågtemperatur-CVD. Diamant och relaterade material, 149111577 https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP, & Kaganovich, ID (2024). Metoder för färgcentrum för att bevara väteterminering av diamant. Avancerade materialgränssnitt, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}