Zasady projektowania i syntezy kandydatów na pamięć kwantową

W nowych badaniach opublikowanych w Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, Uniwersytet Illinois Urbana-Champaign, profesor nauk o materiałach i inżynierii Daniel Shoemaker oraz student Zachary Riedel wykorzystali obliczenia teorii funkcjonału gęstości (DFT) do zidentyfikowania potencjalnych związków europu (Eu), które mogą służyć jako nowa platforma pamięci kwantowej. Zsyntetyzowali także jeden z oczekiwanych związków – całkowicie nowy, stabilny w powietrzu materiał, który jest mocnym kandydatem do zastosowania w pamięci kwantowej – systemie przechowywania stanów kwantowych fotonów lub innych splątanych cząstek bez niszczenia informacji przechowywanej przez tę cząstkę .

„Problem, który próbujemy tutaj rozwiązać, polega na znalezieniu materiału, który może przechowywać informacje kwantowe przez długi czas” – mówi Shoemaker. „Jednym ze sposobów osiągnięcia tego jest użycie jonów metali ziem rzadkich”.

Pierwiastki ziem rzadkich, takie jak europ, znajdują się na dole układu okresowego i ze względu na ich unikalną strukturę atomową okazały się obiecujące do zastosowania w urządzeniach informacji kwantowej. W szczególności jony ziem rzadkich zawierają wiele elektronów gęsto upakowanych w pobliżu jądra atomowego. Wzbudzenie tych elektronów ze stanu spoczynku może „żyć” przez długi czas – sekundy, a może nawet godziny – na zawsze w świecie komputerów. Takie długotrwałe stany są niezbędne, aby uniknąć utraty informacji kwantowej i pozycjonować jony metali ziem rzadkich jako silnych kandydatów na kubity, podstawowe jednostki informacji kwantowej.

„Zwykle w inżynierii materiałowej można wejść do bazy danych i znaleźć znane materiały, które powinny sprawdzić się w konkretnym zastosowaniu” – wyjaśnia Shoemaker. „Na przykład ludzie pracowali przez ponad 200 lat, aby znaleźć odpowiednie lekkie i wytrzymałe materiały na różne związki. Ale w przypadku informacji kwantowej pracujemy nad tym dopiero od dziesięciu lub dwóch lat, więc liczba materiałów jest w rzeczywistości bardzo mały i szybko znajdziesz się w obszarze Nieznanej substancji chemicznej.

Shoemaker i Riedel narzucili pewne zasady w poszukiwaniu potencjalnych nowych materiałów. Po pierwsze, chcieli zastosować konfigurację jonową Eu³⁺ (W przeciwieństwie do innej możliwej konfiguracji, Unia Europejska²⁺), ponieważ działają na właściwej długości fali optycznej. Aby można było wizualnie „napisać”, materiały muszą być przejrzyste. Po drugie, chcieli materiału wykonanego z innych pierwiastków, który miałby tylko jeden stabilny izotop. Pierwiastki zawierające więcej niż jeden izotop wytwarzają mieszaninę różnych mas jądrowych, które wibrują z nieco różnymi częstotliwościami, zakłócając przechowywaną informację. Po trzecie, zależało im na znacznym oddzieleniu poszczególnych jonów europu, aby ograniczyć niezamierzone interakcje. Bez separacji duże chmury elektronów europu zachowywałyby się jak baldachim z liści w lesie, a nie jak dobrze rozmieszczone drzewa na przedmieściach, gdzie szelest liści jednego drzewa delikatnie oddziałuje z liśćmi drugiego.

Stosując te zasady, Riedel stworzył kontrolę obliczeniową DFT, aby przewidzieć, jakie materiały mogą powstać. Po tej selekcji Riedel był w stanie zidentyfikować nowe związki kandydujące do stosowania w UE, a ponadto był w stanie zsyntetyzować najlepszą propozycję z listy, perowskit z podwójnym halogenkiem Cs.₂NaEuF₆. Ten nowy związek jest stabilny w powietrzu, co oznacza, że ​​można go łączyć z innymi komponentami, co jest kluczową właściwością w skalowalnych obliczeniach kwantowych. Obliczenia DFT przewidziały także wiele innych potencjalnych związków, które nie zostały jeszcze zsyntetyzowane.

„Wykazaliśmy, że pozostało wiele nieznanych materiałów, które są dobrymi kandydatami do przechowywania informacji kwantowej” – mówi Shoemaker. „Pokazaliśmy, że potrafimy je wytwarzać wydajnie i przewidzieć, które będą stabilne”.

Daniel Shoemaker jest także członkiem Laboratorium Badań Materiałowych (MRL) oraz Centrum Nauki i Technologii Informacji Kwantowej stanu Illinois (IQUIST) na UIUC.

Zachary Riedel jest obecnie pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w Los Alamos National Laboratory.

Badania te były wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauki, Narodowe Centrum Badań nad Informacją Kwantową Q-NEXT. Narodowa Fundacja Nauki za pośrednictwem Centrum Nauki i Inżynierii Materiałów Uniwersytetu Illinois wsparła korzystanie z obiektów i oprzyrządowania.