计算
纳米机械谐振器--量子计算如何受益于这些压电器件
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传感器微型化
随着我们的技术越来越精密，对设备的要求也越来越小。这一点在芯片等半导体技术中是众所周知的。 业界领先企业正在测试 2 纳米（奈米）光刻技术 像台积电.
资料来源 台积电
对于机械零件来说也是如此，因为在机械零件中，反应并不像半导体那样主要是电反应。一个关键因素是纳米级机械谐振器。这些装置的尺寸非常小，因此在测量单个粒子时非常有用。
迄今为止，只有有限的非导电材料被用于生产机械谐振器。瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）和德国马格德堡大学（University of Magdeburg）的研究人员改变了这一现状。
这组研究人员用一种新材料制造出了机械谐振器，它具有以下特点 两个 具有出色的共振特性和压电特性。这些成果发表在《先进材料》上，标题为"用于量子光机电的具有高质量因子的纳米机械晶体 AlN 谐振器1".
纳米机械谐振器
谐振器是一种类似音叉的元件，能够以特定频率振动。就音叉而言，它以其共振频率振动，产生我们听觉范围内的声波。
如今，谐振器已缩小到微米和纳米级。这些微型谐振器的工作频率远高于大型谐振器，而且灵敏度极高。这使它们成为微观尺度测量的绝佳传感器。
例如，这种纳米共振器可用于测量单质子的自旋或小质量之间的引力。
让谐振器更有用
迄今为止，大多数最好的纳米机械谐振器都是由拉伸应变氮化硅制成的。这种材料具有优异的机械性能，是一种非常好的谐振器。问题是氮化硅没有磁性，也没有压电性，而且不导电。
这就给将机械共振转换成电信号或直接控制它带来了问题。因此，总的来说，这些氮化硅谐振器只有在氮化硅上添加另一种材料时才能与其他系统相互作用。
问题是，这种添加会直接损害谐振器的性能。
相反，研究人员设法制造出了一种由拉伸应变氮化铝制成的纳米机械谐振器。这种材料是压电材料，但作为谐振器也显示出卓越的性能，这种性能可以用一种叫做 "机械品质因数"（mechanical quality factor）的特性来衡量。Qm).
"氮化铝谐振器的品质因数超过了1000万。这表明，拉伸应变氮化铝可以成为量子传感器或量子换能器的强大新材料平台。
Witlef Wieczorek - 查尔姆斯理工大学微技术和纳米科学系物理学教授。
压电材料是一种能将机械运动自然转化为电信号的材料，反之亦然。
这种电荷是通过强制不对称产生的：在压电材料中，正电荷和负电荷相互分离，同时保持对称排列。 当对物质施加机械应力时，这种对称性就会消失，从而产生电荷。
因此，与以前的谐振器不同，氮化铝谐振器可以直接与其他纳米级系统连接。它还可用于传感器的直接读取。
制作过程
为了开发这种新型谐振器，研究人员在硅衬底上制作了一层厚度为 295 nm 的氮化铝薄膜，使其高度受力（张力）。张力 "约为 1GPa，相当于在指甲上平衡两头大象"。
资料来源 先进材料
他们使用了一种新的谐振器设计，称为三角形谐振器（trianguline），这种谐振器看起来就像一个由中央三角形垫块组成的分形。
资料来源 先进材料
三棱锥可以在室温下保持单量子相干振荡，因此特别有用。这将大大方便量子技术的应用。
下一步
作为首个原型，这里介绍的氮化铝谐振器很可能还可以进一步改进。
第一部分是使其具有更高的品质因数，使其更加灵敏和有用。下一步将是进行实验，寻找如何可靠地调整设计，使其能够将压电用于量子传感应用。
应用
最明显的应用是量子计算。大多数量子计算机的工作原理是 量子比特 (比特）特性进行测量。
由于两种量子特性，微ubits 可以同时以多种状态存在： 重叠 和 纠葛.
- 叠加 它允许量子比特同时表示 0 和 1，与传统比特相比，可处理的数据量呈指数级增长。
- 纠缠 将量子比特连接起来，使一个量子比特的状态可以瞬间影响另一个量子比特，甚至可以跨越遥远的距离。
这些特性使 QPU 能够通过同时探索多个解决方案，比传统计算机更快地解决高度复杂的问题。
然而，量子比特极其脆弱，测量其特性也并非易事。一种同时具有压电特性的室温谐振器可能会在性能和成本方面改变游戏规则。
这可能使氮化铝谐振器成为开发量子处理单元的关键部分，从而取代我们现有的中央处理器。量子处理单元（QPU）：计算的未来"和"量子计算的现状".
其他应用可能源于谐振器的极高精度，在需要低噪声和长相干时间的利基应用中，如镜面悬浮装置、量子腔光学机械装置或纳米机械传感器，所有这些对 LED、光子计算等纳米设备都非常有用。
这是另一个例子，说明压电材料在未来技术中的重要性。您可以从我们有关这些材料的文章中了解更多相关信息：
投资纳米技术
除半导体制造外，纳米技术正在成为一个不断增长的领域，有望为航空航天、生物技术、能源和化工行业提供神奇的材料。
您可以通过许多经纪人投资纳米技术公司，您可以在这里找到 securities.io我们推荐的最佳经纪商包括 美国, 加拿大, 澳大利亚, 英国, 以及许多其他国家.
如果您对选择特定的纳米技术公司不感兴趣，也可以关注纳米技术 ETF，如 ProShares 纳米技术 ETF (TINY) 或 Direxion 纳米技术 ETF (TYNE) 这将为量子计算和纳米技术股票提供更多样化的投资机会。
或者您可以查看我们的"十大纳米技术股票"和 5 家最佳量子计算公司.
谐振器公司
SiTime 公司 (SITM -0.09%)
随着计算机和电子设备变得越来越复杂，精确测量变得更加重要，在某些情况下甚至关系到生死存亡。
这就是 SiTime 公司的重点，该公司的核心是利用硅技术进行精确的时间测量。这与手表中使用石英晶体（已有 70 年历史的技术）的方式类似，但性能更优越：
- 具有极强的抗冲击、振动、温度变化、抖动和噪音干扰能力。
- 体积小，功耗低。
- 可编程，性能更高。
资料来源 SiTimes
SiTime 是创造 "精密计时 "概念的公司，该领域的年增长率为 30-35%，公司在该领域的市场份额为 90%。
作为一家 "无晶圆厂 "半导体公司，SiTime 专注于开发自己的 IP，将实际制造留给行业领先企业，这种业务模式与 Nvidia 的 GPU 和 AI 芯片类似。
随着新型计算和电信技术的飞速发展，通过精密授时进行更精确的时间测量已成为当务之急：
- 5G 连接速度是 4G 的 10 倍
- 数据中心的运行速度也比几年前快了 10 倍，并将随着人工智能应用的不断增长而加速。
- 如今，汽车和其他交通工具采用了更多的电子设备，而在机器人轴出现之前（所有高于 2 级的自动驾驶级别都需要精确的计时）。
- SiTime 提供 "FailSafe "技术，单个器件集成了谐振器、振荡器、时钟和先进的安全机制，用于自动驾驶汽车的计时。2025 年才开始批量出货。
- 航天领域发展迅速，SpaceX 等公司在更多材料发射和低延迟天基互联网等新应用方面都处于领先地位。
- 军事应用也在增加、 从雷达到通信和电子战。
SiTime 从 2019 年收入微薄（主要来自振荡器）的初创公司，到 2020 年推出首款谐振器，发展速度非常快，收入、毛利率和营业利润率都实现了同步增长。
资料来源 SiTimes
在此之前，SiTime 的可寻址服务市场 (SAM) 已从 2021 年的 $1B 全面增长到 2024 年的 $4B，成为整个 $10B 更大 "定时市场 "的一部分。
资料来源 SiTimes
自成立以来，SiTime 在研发方面的累计投资已超过 $5,000,000。微机电系统（MEMS）行业往往倾向于由一家公司几乎完全主导一个细分市场的结构，因为进入该行业的壁垒很高（研发成本、技术专长、专利），客户往往会选择行业领导者。
这使 SiTime 成为 "定时 MEMS "领域的领导者，与其他公司并驾齐驱，如 Broadcom (AVGO +2%) 射频传感器或博世惯性传感器 (SiTime 是博世的衍生产品后被日本公司 Megachips 收购，并于 2019 年在纳斯达克上市）。
随着人工智能数据中心、5G 部署、卫星通信和自动驾驶汽车等领域的指数级增长，SiTime 已做好充分准备，迅速发展壮大，成为正在进行的连接和人工智能革命中鲜为人知但至关重要的基石。
研究参考文献：
1.Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024)。用于量子光机电的具有高品质因数的纳米机械晶体 AlN 谐振器。 先进材料，36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155
