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钻石能否为量子计算解锁改进的量子比特？
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使用 Diamond 进行量子计算
与使用位（0 和 1）的普通计算机不同，量子计算机使用“量子位”。由于两个量子特性，量子位可以同时存在于多种状态： 叠加 以及 纠葛.
- 叠加 允许量子位同时表示 0 和 1，与传统位相比，可处理的数据量呈指数级增长。
- 纠葛 将量子位以这样一种方式连接起来，即一个量子位的状态可以瞬间影响另一个量子位，即使距离很远。
这些特性使 QPU 能够解决高度复杂的问题 通过同时探索多个解决方案，比传统计算机快得多。
“量子比特的优势在于，它们可以比普通比特容纳更多的信息。这意味着它们还可以为我们提供有关其环境的更多信息，例如，这使得它们作为传感器具有极高的价值。”
Alastair Stacey——PPPL 首席研究物理学家兼量子材料与设备负责人。
然而，量子比特极其脆弱，测量其属性并非易事。
那么，如果我们依靠地球上最坚硬的材料之一——钻石——来执行我们最先进的计算机中的任务，情况会怎样呢？这是普林斯顿大学研究人员的设想，他们最近在《钻石与相关材料》上发表了题为“表面反应的量子化学模型和金刚石生长的动力学模型：低温CVD中CH3自由基和C2H2分子的影响1“。
这项研究与墨尔本大学和普林斯顿大学其他研究人员的研究成果一起发表在《金刚石色心保氢封端方法2设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“
按需生产钻石
钻石在历史上只是一种天然石头，如今大多由原始碳制成。然而，这一过程需要极高的热量和压力，因此无法与计算机芯片中使用的硅等其他材料结合。为此，需要低温钻石制造。
一些方法已经被探索，例如使用乙炔和一种称为“等离子增强化学气相沉积”的技术。
来源: PPPL
问题在于，虽然它可以生成微小的钻石，但也会沉积大量烟灰，这些烟灰会生长在钻石顶部，影响光学器件、传感器和芯片的性能。到目前为止，还不清楚为什么会形成烟灰而不是钻石。
适宜温度与氢气
研究人员发现，该过程形成钻石时有一个精确的温度。高于这个临界温度时，乙炔主要促进钻石的生长。低于这个临界温度时，乙炔主要促进烟灰的生长。
来源：钻石及相关材料
另一个因素是钻石表面附近氢原子的活性。表面附近氢原子越多，即使在较低温度下也能形成更多的钻石。
“氢原子不会直接促进钻石的生长，但氢的分解或分解对于将甲烷转化为乙炔以及将氢原子输送到钻石生长表面至关重要。这两者对于钻石的生长都很重要，”
Alexander Khrabry –普林斯顿大学研究学者
总之，这些关于钻石形成的见解为直接在硅半导体内部可靠地制造微观钻石开辟了道路，而不会因高温损坏其余材料或产生不必要的烟灰。
量子钻石
仅由碳制成的简单钻石可能在光学和传感器方面有一定应用。但更高级的钻石形式可能更有用。
例如，当组成钻石的部分碳原子被其他原子（例如氮）取代，而其他一些碳原子则被移除时，便会形成量子钻石。这就产生了所谓的氮空位（NV）。
在这样的钻石中，里面的电子开始遵循量子规则而不是经典物理，这可以用来构建量子比特。
“这种材料中的电子不像较重的粒子那样遵循经典物理定律。相反，像所有电子一样，它们的行为遵循量子物理定律。”
Alastair Stacey——PPPL 首席研究物理学家兼量子材料与设备负责人。
完善钻石食谱
到目前为止，利用等离子体制造钻石的方法还远远不够精确。这种方法需要反复试验，因为人们对钻石表面究竟发生了什么还不是很了解。
理想情况下，等离子体也可用于在钻石顶部添加单原子氢层。但对于量子钻石，高温会破坏氮空位。
因此研究人员建立了一个精密的分析系统（使用光致发光光谱）来判断在 NV 钻石上形成氢层的最佳方法。
来源: 先进材料界面
他们发现可以使用两种新方法，尽管目前每种方法都有各自的缺点。
来源: 先进材料界面
- 成型气体退火使用氢分子和氮气的混合物，这种方法可以行得通，但需要非常纯净的氢气而不含任何氧气，这在低温下很难实现。
- 冷等离子体终止间接利用氢等离子体的方法，不会破坏NV中心，更容易实现，但在金刚石上形成的氢层质量较低。
“这凸显了表面质量和 NV 属性之间的权衡，在未来的应用中必须取得平衡。例如，在生物分子传感项目中，将 NV 保存在靠近表面的位置绝对至关重要。”
总的来说，这些发现为钻石的一些新的、以前难以实现或不可能实现的应用开辟了道路：
- 直接生产硅半导体，将钻石直接集成到电路、传感器和晶体管中。
- 将量子钻石生产成功能性量子位，包括钻石表面精细调节的氢层。
新型量子计算机
迄今为止，量子计算机的制造方法均源自半导体行业使用的传统制造策略。但由于量子技术与普通计算截然不同，因此新材料可能比传统硅更适合量子计算机。
这可能包括钻石，以便有一天可以在室温下进行量子计算，这不仅可以大幅降低成本，而且还有助于制造更大的量子计算机。
“制造一个具有超过 50 个量子比特的量子模拟器和一台室温量子计算机，为扩展到更高的量子比特数（例如 100 或 1000）打开了大门，这将改变密码学、人工智能和材料科学等领域的游戏规则。
这种能力将使科学家能够更快地发现救命的药物，解决困难的优化问题，或更有效地开发节能技术。”
除了钻石之外，其他创新材料例如 由氮化铝制成的压电纳米机械谐振器也可以用于量子传感器或量子换能器。
总的来说，先进的新材料很可能成为硅的可靠替代品，并将量子计算的前景推向比我们今天所能想象到的更远的地方。
投资量子计算
量子计算才刚刚起步，但已经引起了迄今为止推动硅革命的每一家大型计算公司的关注。
它可能永远局限于计算机中的小众应用，但它仍然可以成为物理学、生物学、材料科学、密码学和军事应用建模的工具。
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或者你可以看看我们的“纳米技术十大股票“ 和 “5 家最佳量子计算公司”。
量子计算公司
(IBM )
国际商业机器公司（IBM）是第一台大型计算机商业化的主导力量。
然而，最近它在产量上已经落后于苹果等其他科技巨头 (AAPL ), 台积电 (TSM )和NVIDIA (NVDA )
然而，它处于量子计算机发展的最前沿。例如，它开发了 127 量子位的“Eagle”量子计算机，随后又开发了名为“Osprey”的 433 量子位系统。
这是现在 其次是“Condor”，1,121个超导量子位量子处理器 基于交叉谐振门技术，以及该领域最前沿的量子处理器“Heron”。
量子计算机可以从改进的磁控制中受益，增强量子位的稳定性和可靠性，这对于处理能力至关重要。
类似地，依赖受控磁场的超导体的进步可以带来更高效的能量传输和冷却系统，特别是在较高温度下。
IBM 参与了计算和半导体行业的大部分其他尖端创新。其中包括 导电有机材料, 神经形态计算, 光电子等等。
从某种程度上来说，IBM 已经成为一家“专利公司”，擅长开发新的计算方法并将其授权给行业。
到目前为止，它似乎决心在所有非硅计算方法中持有尽可能多的关键专利，复制过去的成功，为半导体行业发展成为今天的巨头做出巨大贡献。
学习参考：
1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). 表面反应的量子化学模型和金刚石生长的动力学模型：低温CVD中CH₃自由基和C₂H₂分子的影响。 金刚石及相关材料，149111577。 https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577
2. McCloskey, DJ、Stacey, A.、de Leon, NP 和 Kaganovich, ID (2024)。钻石色心保留氢终止的方法。 先进材料界面，11（24），202400242。 https://doi.org/10.1002/admi.202400242
