Nanomechanical Resonators – Paano Makikinabang ang Quantum Computing sa mga Piezoelectric na Kagamitan na Ito

Pag-miniaturisa ng mga Sensor

As our technology becomes increasingly precise, it also requires ever-shrinking devices. This is well known for semiconductor technology like chips, with 2 nm (nanometer) lithography now being tested by industry leaders like TSMC.

Pinagmulan: TSMC

Ganun din ito sa mga mekanikal na bahagi, kung saan ang reaksyon ay hindi pangunahing elektrikal, tulad ng sa mga semiconductor. Isang mahalagang elemento ay ang nano-sukat na mekanikal na resonator. Ang napakaliit na sukat ng mga aparatong ito ay ginagawa silang napaka-kapaki-pakinabang para sa pagsukat ng iisang particle.

Hanggang ngayon, iilan lamang na hindi konduktibong materyales ang ginamit upang makagawa ng mga mekanikal na resonator. Nagbago na ito salamat sa gawain ng mga mananaliksik sa Chalmers University of Technology (Sweden) at sa University of Magdeburg (Germany).

Ang grupong ito ng mga mananaliksik ay lumikha ng isang mekanikal na resonator mula sa isang bagong materyal, na may pareho na mahusay na katangian sa resonans at piezoelectric din. Ang mga resulta ay inilathala sa Advanced Materials, sa pamagat na “Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics¹”.

Nanomechanical Resonators

Resonators are components like tuning forks that are able to vibrate at specific frequencies. In the case of the  the tuning fork, it oscillates at its resonance frequency, producing a sound wave within our hearing range.

Sa kasalukuyan, ang mga resonator ay napaliit na sa sukat na micrometer at nanometer. Ang mga napakaliit na resonator na ito ay gumagana sa mas mataas na dalas kaysa sa malalaking resonator, at napaka-sensitibo. Ginagawa nitong napakagandang sensor para sa sukat na mikroskopiko.

For example, such a nanoresonator can be used to measure the spins of single-proton or the gravity between small masses.

Pagpapahusay ng mga Resonator

Hanggang ngayon, karamihan sa pinakamahusay na nanomechanical resonator ay gawa sa tensile‑strained silicon nitride. Ang materyal na ito ay may natatanging mekanikal na katangian, na nagreresulta sa napakagandang resonator. Ang problema ay ang silicon nitride ay hindi magnetic, hindi piezoelectric, at hindi nagkokondakta ng kuryente.

Ito ay problema sa pag-convert ng mekanikal na resonans sa isang elektrikal na signal, o upang kontrolin ito nang direkta. Kaya sa pangkalahatan, ang mga silicon nitride resonator ay makakakilos lamang sa ibang mga sistema kapag may idinagdag na ibang materyal sa ibabaw ng silicon nitride.

Ang problema ay ang ganitong karagdagan ay direktang nakakasira sa pagganap ng resonator.

Sa halip, nagtagumpay ang mga mananaliksik na lumikha ng isang nanomechanical resonator na gawa sa tensile‑strained aluminum nitride. Ang materyal na ito ay piezoelectric, ngunit nagpapakita rin ng mahusay na katangian bilang resonator, sinusukat sa pamamagitan ng isang katangian na tinatawag na “mechanical quality factor” (Qm).

“Nakuha ng aluminum nitride resonator ang quality factor na higit sa 10 milyong. Ipinapahiwatig nito na ang tensile‑strained aluminum nitride ay maaaring maging isang makapangyarihang bagong plataporma ng materyal para sa mga quantum sensor o quantum transducer.

Witlef Wieczorek – Propesor ng Pisika sa Department of Microtechnology and Nanoscience sa Chalmers University of Technology.”

Piezoelectric materials are a type of material that naturally convert mechanical motion into electrical signals and vice versa.

Ang elektrikal na karga na ito ay nabubuo dahil sa pinilit na asymmetry: sa mga piezoelectric na materyales, ang positibo at negatibong karga ay nagkakahiwalay, habang nananatiling nakaayos sa isang simetrikal na pattern. Kapag ang mekanikal na stress ay inilapat sa substansiya, nawawala ang simetrya, na nagreresulta sa pagbuo ng isang elektrikal na karga.

Kaya, salungat sa mga nakaraang bersyon ng mga resonator, ang isang aluminum nitride resonator ay maaaring direktang ikonekta sa iba pang nanoscale na sistema. At maaari itong magamit para sa direktang pagbasa sa mga sensor.

Paano Ito Ginawa

Upang paunlarin ang bagong uri ng resonator na ito, lumikha ang mga mananaliksik ng napakataas na stress (tense) na manipis na pelikula ng aluminum nitride na may kapal na 295 nm, sa pamamagitan ng paglago nito sa isang substrate na silicon. Ang tensyon ay “humigit-kumulang 1GPa, katumbas ng pagbalanse ng dalawang elepante sa isang kuko”.

Pinagmulan: Advanced Material

Gumamit sila ng bagong disenyo ng resonator, na tinatawag na trianguline, na mukhang isang fractal na may gitnang pad na hugis tatsulok.

Pinagmulan: Advanced Material

Ang trianguline ay maaaring maging lalo na kapaki-pakinabang dahil maaari nitong panatilihin ang isang solong quantum coherent oscillation sa temperatura ng silid. Ito ay magpapadali nang malaki sa paggamit nito sa quantum technology.

Ang Susunod na Hakbang

Bilang isang unang uri ng prototype, malamang na ang aluminum nitride resonator na ipinakita dito ay maaari pang mapabuti.

Ang unang bahagi ay gagawin ito na may mas mataas pang quality factor, na magpapataas ng sensibilidad at kapakinabangan nito. Ang susunod na hakbang ay mag-eksperimento at alamin kung paano maaasahang iangkop ang disenyo upang magamit ang piezoelectricity para sa mga aplikasyon ng quantum sensing.

Mga Aplikasyon

Ang pinakahalatang aplikasyon ay sa quantum computing. Karamihan sa mga quantum computer ay gumagana sa pamamagitan ng pagsukat ng mga katangian ng quantum bits (qubits).

Qubits ay maaaring umiral sa maraming estado nang sabay-sabay dahil sa dalawang quantum na katangian: superposition at entanglement.

• Superposition nagbibigay-daan sa mga qubit na magrepresenta ng parehong 0 at 1 nang sabay, na eksponensyal na nagpapataas ng datos na maaaring iproseso kumpara sa mga klasikong bit.
• Entanglement 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.

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

Gayunpaman, ang mga qubit ay napaka-sensitibo, at ang pagsukat ng kanilang mga katangian ay hindi madaling gawain. Ang isang resonator na gumagana sa temperatura ng silid at piezoelectric ay maaaring magbago ng laro, kapwa sa pagganap at gastos.

Ito ay maaaring gawing pangunahing bahagi ng mga aluminum nitride resonator sa pag-develop ng Quantum Processing Units na maaaring palitan ang ating kasalukuyang CPU, isang paksa na tinalakay namin nang mas detalyado sa “Quantum Processing Units (QPUs): The Future of Computing” at sa “The Current State of Quantum Computing ”.

Ang iba pang mga aplikasyon ay maaaring magmula sa napakamatinding katumpakan ng mga resonator, sa mga espesyal na aplikasyon kung saan kinakailangan ang mababang ingay at mahabang coherence time, tulad ng mga suspensyon ng salamin, quantum cavity optomechanical na aparato, o nanomechanical na sensor, na lahat ay kapaki-pakinabang para sa mga nanodevice tulad ng LED, photonics computing, atbp.

Ito ay isa pang halimbawa kung gaano kahalaga ang mga piezoelectric na materyales sa mga hinaharap na teknolohiya. Maaari kang matuto pa tungkol sa paksa mula sa ilan sa aming mga artikulo na sumasaklaw sa mga materyales na ito:

• Piezoelectric Materials – Ang Pinakakaraniwang Hindi Kilalang Pinagmumulan ng Enerhiya
• Carbon Nitride Breakthrough Nagbubukas ng Pinto sa Malalaking Pagsulong sa Agham ng Materyales
• Mga Pagsulong sa Piezoelectric Composites na Nagpapahintulot sa Paggamit at Pag-unawa sa Kinetic Energy
• Pagpaliit ng Printed Circuit Boards Gamit ang Piezoelectric Power Converters

Pamumuhunan sa Nanoteknolohiya

Ang nanoteknolohiya ay nagiging lumalawak na segment maliban sa paggawa ng mga semiconductor, na may pangako ng kamangha-manghang mga materyales para sa aerospace, biotech, enerhiya, at kemikal na industriya.

Maaari kang mamuhunan sa mga kumpanyang nanotech sa pamamagitan ng maraming broker, at maaari mong makita dito, sa securities.io, ang aming mga rekomendasyon para sa pinakamahusay na mga broker sa USA, Canada, Australia, UK, at pati na rin sa maraming ibang bansa.

Kung hindi ka interesado sa pagpili ng partikular na mga kumpanyang nanotech, maaari ka ring tumingin sa mga nanotechnology ETF tulad ng ProShares Nanotechnology ETF (TINY) o Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) na magbibigay ng mas diversified na exposure upang makinabang sa mga quantum computing at nanotech na stocks.

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

Kumpanya ng Resonator

Habang ang ating mga computer at elektronik ay nagiging mas kumplikado, ang pagkakaroon ng eksaktong mga sukat ay nagiging mas mahalaga, sa ilang kaso ay usapin ng buhay o kamatayan.

Ito ang pokus ng SiTime (SITM ), isang kumpanya na nakatuon sa tumpak na pagsukat ng oras gamit ang silicon technology. Katulad ito ng kung paano ginagamit ang quartz crystals sa mga relo (isang 70-taong teknolohiya), maliban sa mas mahusay nitong pagganap:

• Napaka-matibay laban sa mga interference mula sa shock, vibration, pagbabago ng temperatura, jitter, at ingay.
• Maliit na sukat at mababang pangangailangan sa enerhiya.
• Programmable at mas mataas na pagganap.

Pinagmulan: SiTimes

Ang SiTime ay ang kumpanyang responsable sa paglikha ng konsepto ng “precision timing,” isang segment na lumalago ng 30-35% bawat taon at kung saan ang kumpanya ay may 90% market share.

Bilang isang “fabless” na semiconductor na kumpanya, ang SiTime ay nakatuon sa pag-develop ng mga IP nito, iniiwan ang aktwal na paggawa sa mga nangungunang kumpanya, isang katulad na business model sa Nvidia (NVDA ) para sa mga GPU at AI chip nito.

Ang mas tumpak na pagsukat ng oras sa pamamagitan ng precision timing ay nagiging kinakailangan, habang ang mga bagong teknolohiya sa computing at telecom ay mabilis na umuusad:

• Ang konektividad ng 5G ay 10 beses na mas mabilis kaysa sa 4G
• Ang mga data center ay gumagana rin ng 10 beses na mas mabilis kaysa ilang taon na ang nakalipas, at handang mag-accelerate sa pagdami ng mga AI application.
• Ang automotive at iba pang sasakyan ay nag-iintegrate ng mas maraming elektronik ngayon, at bago ang pagdating ng robotaxis (lahat ng antas ng awtonomiya na higit sa 2 ay nangangailangan ng precision timing).
  • Ang SiTime ay nag-aalok ng “FailSafe” technology kung saan ang isang device ay nag-iintegrate ng resonators, oscillators, clocking, at advanced safety mechanisms para sa timing sa mga autonomous na sasakyan. Ang malakihang pagpapadala ay magsisimula lamang sa 2025.
• Ang sektor ng aerospace ay mabilis na lumalago kasama ang mga kumpanyang tulad ng SpaceX na nangunguna sa parehong mas maraming materyal na inilulunsad, at mga bagong aplikasyon tulad ng low latency space-based Internet.
  • Ang mga military application ay nagsisimula rin, mula sa radar hanggang komunikasyon at electronic warfare.

Mula sa isang startup na may kaunting kita noong 2019 (karamihan mula sa oscillators) at inilunsad ang unang resonator noong 2020, ang SiTime ay mabilis na lumago, sabay na tumaas ang kita, gross margin, at operating margin.

Pinagmulan: SiTimes

Sinundan ito ng pangkalahatang paglago ng Serviceable Addressable Market (SAM) para sa SiTime mula $1B noong 2021 hanggang $4B noong 2024, bilang bahagi ng mas malaking $10B “timing market”.

Pinagmulan: SiTimes

Ang SiTime ay nag-invest ng higit sa $500M sa R&D nang magkakasama mula nang ito ay itinatag. Ang industriya ng micro-electromechanical systems (MEMS) ay karaniwang pumapabor sa isang estruktura kung saan isang kumpanya halos ganap na namumuno sa isang segment, dahil mataas ang mga hadlang sa pagpasok (gastusin sa R&D, teknikal na kadalubhasaan, patente) at ang mga kliyente ay karaniwang nananatili sa mga nangungunang kumpanya.

Ito ay naglalagay sa SiTime bilang lider ng “timing MEMS”, kasama ang iba pang kumpanya tulad ng Broadcom (AVGO ) para sa radio frequency o Bosch para sa inertial sensors (Ang SiTime ay isang spin-off mula sa Bosch, bago ito binili ng Japanese na kumpanyang Megachips at nailista sa NASDAQ noong 2019).

Sa mga AI data center, pag-deploy ng 5G, satellite telecommunication, at mga self‑driving na sasakyan na lahat ay exponential na lumalago, ang SiTime ay mahusay na nakaposisyon upang mabilis na lumago, at maging isang hindi gaanong kilalang ngunit mahalagang haligi ng patuloy na connectivity & AI revolution.

Sanggunian ng Pag-aaral:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanical crystalline AlN resonators with high quality factors for quantum optoelectromechanics. Advanced Materials, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}