Ny metode forudsiger spindynamik af materialer til kvanteberegning

Forskere ved UC Santa Cruz har udviklet et teoretisk grundlag og nye beregningsværktøjer til at forudsige et materiales spindynamik, en nøgleegenskab til at bygge solid-state kvantecomputerplatforme og andre anvendelser af spintronics.

Spin er en fundamental egenskab ved elektroner og andre partikler, og det hurtigt voksende felt inden for spintronik bruger spin-tilstande på en måde, der er analog med brugen af ​​elektrisk ladning i elektronik. Spin kan bruges som grundlag for qubits (kvantebit) og enkeltfoton-emittere i anvendelser af kvanteinformationsvidenskab, inklusive kvanteberegning, meddelelse, og sansning.

Qubits kan laves fra ethvert kvantesystem, der har to tilstande, men udfordringen er at opretholde kvantekohærens (et forhold mellem kvantetilstande) længe nok til at tillade manipulation af qubits. Dekohærens betyder tab af information fra systemet, og spin-qubits kan miste sammenhæng ved at interagere med deres miljø gennem, for eksempel, gittervibrationer i materialet.

"Nøgleegenskaben for kvanteinformationsvidenskab er spin-tilstandenes levetid, kendt som spin afslapning og dekohærens tid, " sagde Yuan Ping, assisterende professor i kemi ved UC Santa Cruz. "For kvanteinformationsapplikationer, vi har brug for materialer med lange spin-afslapningstider."

I et papir udgivet 3. juni i Naturkommunikation , Ping og hendes medforfattere ved UCSC og Rensselaer Polytechnic Institute præsenterer en ny teoretisk ramme og beregningsværktøjer til nøjagtigt at forudsige spinrelaksationstiden for ethvert materiale, hvilket ikke tidligere var muligt.

"Disse dage, folk laver bare et materiale og prøver det for at se, om det virker. Nu har vi forudsigelsesevnen fra kvantemekanikken, der giver os mulighed for at designe materialer med de egenskaber, vi ønsker til applikationer inden for kvanteinformationsvidenskab, " sagde hun. "Og hvis du har et lovende materiale, dette kan fortælle dig, hvordan du ændrer det for at gøre det bedre."

Forskerne etablerede metoder til at bestemme spindynamikken ud fra de første principper, hvilket betyder, at der ikke er behov for empiriske parametre fra eksperimentelle målinger for at udføre beregningerne. De viste også, at deres tilgang er generaliserbar til forskellige typer materialer med vidt forskellige krystalsymmetrier og elektroniske strukturer.

For eksempel, de forudsagde nøjagtigt spinrelaksationstiden for centrosymmetriske materialer som silicium, ferromagnetisk jern, og grafen, samt ikke-centrosymmetriske materialer såsom molybdændisulfid og galliumnitrid, fremhæver deres metodes forudsigelsesevne for en bred vifte af kvantematerialer.

Ved at muliggøre rationel design af materialer, i stedet for at søge blindt og teste en lang række materialer eksperimentelt, disse nye metoder kunne muliggøre hurtige fremskridt inden for kvanteinformationsteknologier.