Maaari bang Buksan ng mga Diyamante ang Pinahusay na Qubits para sa Quantum Computing?

Paggamit ng Diyamante para sa Quantum Computing

Kabaligtaran sa karaniwang mga computer na gumagamit ng mga bit (0 at 1), ang mga quantum computer ay gumagamit ng “qubits”. Maaaring umiral ang mga qubit sa maraming estado nang sabay-sabay dahil sa dalawang katangiang quantum: superposisyon at pagkakaugnay.

• Superposisyon pinapayagan ang mga qubit na magrepresenta ng parehong 0 at 1 nang sabay, na nagdadagdag nang eksponensyal sa datos na maaaring iproseso kumpara sa mga klasikong bit.
• Pagkakaugnay nag-uugnay sa mga qubit sa paraang ang estado ng isang qubit ay maaaring agad na makaapekto sa isa pa, kahit na sa malalayong distansya.

Pinapayagan ng mga katangiang ito ang QPUs na lutasin ang napaka-komplikadong mga problema nang mas mabilis kaysa sa mga klasikong computer sa pamamagitan ng pagsuri ng maraming solusyon nang sabay-sabay.

“Ang kalamangan ng mga qubit ay maaari silang maglaman ng mas maraming impormasyon kaysa sa karaniwang mga bit. Ibig sabihin nito, maaari rin nilang ibigay sa atin ang mas maraming impormasyon tungkol sa kanilang kapaligiran, na ginagawang napakahalaga sila bilang mga sensor, halimbawa.”

Alastair Stacey - Namumunong pangunahing mananaliksik na pisiko at pinuno ng quantum materials at devices sa PPPL.

Gayunpaman, napakapanipis ng mga qubit, at ang pagsukat ng kanilang mga katangian ay hindi madaling gawain.

Kung sa halip ay umasa tayo sa isa sa pinakamahihirap na materyales sa mundo — ang diyamante — upang magsagawa ng mga gawain sa ating pinaka-advanced na computer? Ito ang bisyon ng mga mananaliksik sa Princeton University, na kamakailan lamang ay naglathala sa Diamond And Related Materials, sa pamagat na Quantum chemistry model of surface reactions and kinetic model of diamond growth: Effects of CH₃ radicals and C₂H₂ molecules at low‑temperatures CVD¹.

Kasama ito sa mga gawa ng iba pang mananaliksik sa University of Melbourne at Princeton University, na inilathala sa pamagat na “Methods for Color Center Preserving Hydrogen‑Termination of Diamond².”

Paggawa ng Diyamante On Demand

Historikal na tanging natural na bato lamang ang diyamante, ngunit sa kasalukuyan ay karamihan ay ginagawa mula sa raw carbon. Gayunpaman, ang prosesong ito ay nangangailangan ng napakainit at matinding presyon, kaya hindi ito maaaring pagsamahin sa ibang materyales tulad ng silicon na ginagamit sa mga chip ng computer. Dahil dito, kinakailangan ang paggawa ng diyamante sa mababang temperatura.

May ilang pamamaraan na nasuri na, tulad ng paggamit ng acetylene at isang teknik na tinatawag na “plasma‑enhanced chemical vapor deposition”.

Pinagmulan: PPPL

Ang problema ay habang kaya nitong magpalago ng mikroskopikong diyamante, nag-ideposito rin ito ng maraming usok, na maaaring lumago sa ibabaw ng diyamante at makasagabal sa pagganap para sa optika, sensor, at mga chip. Hanggang ngayon ay hindi malinaw kung bakit nabubuo ang usok imbes na diyamante.

Goldilocks Temperature & Hydrogen

Natuklasan ng mga mananaliksik na may tiyak na temperatura kung saan lumilikha ang proseso ng diyamante. Sa itaas ng kritikal na temperaturang ito, ang acetylene ay higit na nag-aambag sa paglago ng diyamante. Sa ibaba ng kritikal na temperaturang ito, ito ay higit na nag-aambag sa paglago ng usok.

Pinagmulan: Diamond And Related Materials

Isa pang salik ay ang aktibidad ng mga atom ng hydrogen malapit sa ibabaw ng diyamante. Kapag mas maraming hydrogen ang nasa ibabaw, mas maraming diyamante ang maaaring mabuo, kahit sa mas mababang temperatura.

“Hindi direktang pinapagana ng mga atom ng hydrogen ang paglago ng diyamante, ngunit ang pagdurog ng hydrogen, o pagkasira, ay mahalaga para sa pag-convert ng methane sa acetylene at pagdadala ng atomic hydrogen sa ibabaw ng paglago ng diyamante. Mahalaga ang dalawang prosesong ito para sa paglago ng diyamante,”

Alexander Khrabry - Princeton University Research Scholar

Sama-sama, binubuksan ng mga pananaw na ito sa pagbuo ng diyamante ang daan para sa maaasahang paglikha ng mikroskopikong diyamante direkta sa loob ng mga silicon semiconductor nang hindi nasisira ang ibang bahagi ng materyal sa pamamagitan ng mataas na temperatura o paglikha ng hindi kanais-nais na usok.

Quantum Diamonds

Ang simpleng diyamante na gawa lamang sa carbon ay maaaring magkaroon ng ilang aplikasyon sa optika at sensor. Ngunit ang mas advanced na anyo ng diyamante ay maaaring maging mas kapaki-pakinabang.

Halimbawa, ang quantum diamonds ay ginagawa kapag ang ilang atom ng carbon na bumubuo sa diyamante ay pinalitan ng ibang atom, tulad ng nitrogen, at ang ilang iba pang atom ng carbon ay tinanggal. Lumilikha ito ng tinatawag na nitrogen‑vacancy (NV).

Sa ganitong diyamante, ang mga elektron sa loob ay nagsisimulang sumunod sa mga patakaran ng quantum sa halip na klasikong pisika, na maaaring magamit upang bumuo ng mga qubit.

“Ang mga elektron sa materyal na ito ay hindi kumikilos alinsunod sa mga batas ng klasikong pisika tulad ng mga mas mabigat na particle. Sa halip, tulad ng lahat ng elektron, kumikilos sila alinsunod sa mga batas ng quantum physics.”

Alastair Stacey - Namumunong pangunahing mananaliksik na pisiko at pinuno ng quantum materials at devices sa PPPL.

Pagsasakdal ng Diamond Cookbook

Hanggang ngayon, ang pamamaraan ng paggamit ng plasma upang lumikha ng diyamante ay malayo sa pagiging eksakto. Ito ay gumagamit ng maraming pagsubok at pagkakamali, dahil ang teorya kung ano talaga ang nangyayari sa ibabaw ng diyamante ay hindi pa lubos na nauunawaan.

Sa ideal, maaaring gamitin ang plasma upang magdagdag ng mono‑atomic na patong ng hydrogen sa ibabaw ng diyamante. Ngunit sa kaso ng quantum diamonds, sisirain ng mataas na temperatura ang nitrogen‑vacancy.

Kaya’t nagbuo ang mga mananaliksik ng isang masalimuot na sistemang analitikal (gamit ang photoluminescence spectroscopy) upang suriin kung ano ang pinakamainam para sa paglikha ng patong ng hydrogen sa mga NV diamond.

Pinagmulan: Advanced Materials Interface

Nakahanap sila ng dalawang bagong pamamaraan na maaaring magamit, bagaman bawat isa ay may kani-kaniyang kahinaan sa kasalukuyan.

Pinagmulan: Advanced Materials Interface

• Forming gas annealing, na gumagamit ng halo ng mga molekula ng hydrogen at nitrogen gas, ay gumana ngunit nangangailangan ng napakapurong hydrogen gas na walang oxygen, isang bagay na mahirap makamit sa mababang temperatura.
• Cold plasma termination, na gumagamit ng hydrogen plasma nang hindi direkta, ay hindi nasira ang NV center at mas madaling ipatupad, ngunit lumikha ng mas mababang kalidad ng patong ng hydrogen sa diyamante.

“Ipinapakita nito ang trade‑off sa pagitan ng kalidad ng ibabaw at mga katangian ng NV na kailangang timbangin sa mga susunod na aplikasyon. Halimbawa, sa mga proyektong biomolecular sensing, napakahalaga na mapanatili ang NV malapit sa mga ibabaw.”

Daniel McCloskey - Researcher sa University of Melbourne.

Sa pangkalahatan, binubuksan ng mga pagtuklas na ito ang daan sa ilang bagong, dati ay mahirap o imposibleng aplikasyon para sa diyamante:

• Direktang produksyon sa mga silicon semiconductor, na nag-iintegrate ng diyamante direkta sa mga circuit, sensor, at transistor.
• Produksyon ng quantum diamonds bilang functional na qubit, kasama ang pinong hydrogen layer sa ibabaw ng diyamante.

Bagong Quantum Computers

Hanggang ngayon, ang mga quantum computer ay itinayo gamit ang mga kilalang pamamaraan na nagmula sa tradisyunal na taktika ng paggawa ng semiconductor. Ngunit dahil napakaiba ng quantum technology sa karaniwang computing, makatuwiran na ang mga bagong materyales ay mas angkop kaysa sa tradisyunal na silicon.

Maaaring kabilang dito ang diyamante, na balang araw ay magpapahintulot sa quantum computing na maisagawa sa room temperature, isang bagay na hindi lamang magbabawas nang malaki sa gastos kundi tutulong din sa paglikha ng mas malalaking quantum computer.

“Ang paggawa ng quantum simulator na may higit sa 50 qubits at isang quantum computer na gumagana sa room temperature ay magbubukas ng pinto para sa pag‑scale up sa mas mataas na bilang ng mga qubit, tulad ng 100 o 1000, na magiging game‑changer para sa mga larangan tulad ng cryptography, AI, at material science.

Ang kakayahang ito ay magpapahintulot sa mga siyentipiko na mas mabilis na matuklasan ang mga gamot na makapagliligtas ng buhay, lutasin ang mahihirap na optimization problem, o bumuo ng mga teknolohiyang nakakatipid ng enerhiya nang mas epektibo.

Martin Koppenhöfer - Project coordinator sa SPINUS

Bukod sa diyamante, ang iba pang bagong inobatibong materyales tulad ng piezoelectric nanomechanical resonators na gawa sa aluminum nitride ay maaari ring magamit para sa quantum sensors o quantum transducers.

Sa pangkalahatan, malamang na ang mga advanced na bagong materyales ay magiging solidong alternatibo sa silicon at itutulak ang pangako ng quantum computing nang higit pa sa ating inaasahan ngayon.

Pamumuhunan sa Quantum Computing

Ang quantum computing ay nagsisimula pa lamang ngunit nakakuha na ng atensyon ng bawat malaking kumpanya ng computing na nagpasigla sa silicon revolution hanggang ngayon.

Maaaring manatili itong limitado sa mga niche na aplikasyon kaysa sa pangkaraniwang paggamit sa ating mga computer, ngunit maaari pa rin itong maging mahalaga sa pagmomodelo ng pisika, biyolohiya, agham ng materyales, cryptography, at mga aplikasyon ng militar.

Maaari kang mamuhunan sa mga kumpanya ng quantum computing sa pamamagitan ng maraming broker, at dito sa securities.io makikita mo ang aming mga rekomendasyon para sa pinakamahusay na mga broker sa USA, Canada, Australia, UK, at marami pang ibang bansa.

Kung hindi ka interesado sa pagpili ng partikular na kumpanya, maaari ka ring tumingin sa mga ETF tulad ng ProShares Nanotechnology ETF (TINY) o ang WisdomTree Cloud Computing Fund (WCLD) na magbibigay ng mas diversified na exposure upang makinabang mula sa quantum computing at nanotech stocks.

O maaari mong tingnan ang aming listahan ng “Top 10 Nanotechnology Stocks” at “5 Best Quantum Computing Companies”.

Mga Kumpanya sa Quantum Computing

Ang International Business Machines Corporation (IBM) ay ang nangungunang puwersa sa likod ng komersyalisasyon ng unang mainframe computer.

Gayunpaman, kamakailan lamang ay nalaglag ito sa dami ng produksyon kumpara sa ibang mga higanteng teknolohiya tulad ng Apple (AAPL ), TSMC (TSM ), at NVIDIA (NVDA )

Sa kabila nito, nasa unahan pa rin ito ng pag‑develop ng mga quantum computer. Halimbawa, nag‑develop ito ng 127‑qubit “Eagle” quantum computer, na sinundan ng 433‑qubit system na kilala bilang “Osprey.”

At ngayon ay sinusundan ito ng “Condor”, isang 1,121 superconducting qubit quantum processor batay sa cross‑resonance gate technology, kasama ang “Heron”, isang quantum processor na nasa pinakapatimog ng larangan.

Maaaring makinabang ang mga quantum computer mula sa pinahusay na magnetic control, na nagpapabuti sa katatagan at pagiging maaasahan ng qubit, na mahalaga para sa kapangyarihan ng pagproseso.

Gayundin, ang mga pag‑unlad sa superconductors, na umaasa sa kontroladong magnetic fields, ay maaaring magdulot ng mas epektibong transmisyon ng enerhiya at mga cooling system, lalo na sa mas mataas na temperatura.

Ang IBM ay kasangkot sa karamihan ng iba pang cutting‑edge na inobasyon sa computing at industriya ng semiconductor. Kabilang dito ang conducting organic materials, neuromorphic computing, photonics, atbp.

Sa ilang antas, ang IBM ay naging isang “patent company” na may kadalubhasaan sa pag‑develop ng mga bagong pamamaraan sa computing at pag‑lisensya nito sa industriya.

Sa ngayon, tila determinado itong hawakan ang maraming key patents sa lahat ng non‑silicon computing methods na makakaya nito, na ginagaya ang nakaraang tagumpay nito nang malaki ang ambag sa pag‑develop ng industriya ng semiconductor tungo sa higanteng ito ngayon.

Sanggunian ng Pag‑aaral:

^{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}