Forskere skaber orden fra kvantekaos

I et nyt papir i PNAS , "Triplet-Pair Spin Signatures From Macroscopically Aligned Heteroacenes in an Oriented Single Crystal," National Renewable Energy Laboratory (NREL) forskere Brandon Rugg, Brian Fluegel, Christopher Chang og Justin Johnson tackler et af de grundlæggende problemer inden for kvanteinformationsvidenskab:hvordan at producere rene elementer af kvanteinformation - det vil sige dem, der starter og forbliver i en veldefineret "spin-tilstand" - ved praktiske temperaturer.

Kvanteinformationsvidenskab har potentialet til at revolutionere beregning, sansning og kommunikation. Men mange af disse applikationer er stadig uden for rækkevidde på grund af udfordringerne med at producere enheder af kvanteinformation eller qubits uden at være afhængig af ekstremt lave temperaturer for at bevare deres renhed. Nuværende tilgange til at identificere egnede kvantematerialer har en tendens til at stole på forsøg og fejl.

"Området med at udvikle nye molekyler og materialer [til kvanteinformationsvidenskab] skrider nogle gange frem gennem ad hoc-metoder og serendipitet. 'Dette materiale fungerer bare tilfældigvis bedre end det andet' - vi så meget af det ske, og besluttede i sidste ende at det ikke ville være tilstrækkeligt til et projekt, hvor målet var at begrænse sæt af mulige muligheder," sagde Justin Johnson, en forsker i NREL's Chemistry and Nanoscience Center. "Vi ønskede, at teorien skulle give os faste retningslinjer om, hvad der skulle ske."

Derfor hyrede holdet teoretikere ved University of Colorado Boulder og tog en bottom-up tilgang. I stedet for at udføre en kombinatorisk søgning efter kandidat-kvantematerialer, arbejdede de hen imod at designe og syntetisere molekyler relateret til dem, de havde studeret for solcelleanlæg, men med de ønskede egenskaber til at fungere som qubit-kandidater. Når de exciteres med lys, kan et par molekyler producere justerede spins, der kunne repræsentere en langlivet qubit ved stuetemperatur. Uden et ekstra samlingsniveau vil ensemblesystemets "tilstand" dog være uren.

"[I nogle kvantematerialer] er spin-baserede qubits mere eller mindre tilfældigt placeret og/eller orienteret i materialet, og det er svært at organisere dem," sagde Johnson. "Molekyler tilbyder derimod en naturlig platform for makroskopisk orientering af et ensemble af spins. Hvis du designer det molekyle, du ønsker, så når disse molekyler krystalliserer, organiserer de sig naturligt i samlinger, hvor molekylerne er justeret. Det er det, der sætter vores arbejde bortset fra andre grupper."

Brandon Rugg, en postdoc-forsker i Johnsons gruppe og papirets hovedforfatter, brugte over to år på at screene kandidatkvantematerialer og finjustere egenskaberne af deres molekyler.

"Ved at screene materialerne var vi nødt til at balancere en masse faktorer," sagde Rugg. "Det er meget svært at kontrollere molekyler, og hvordan de er placeret. Men i samarbejde med vores samarbejdspartnere var vi i stand til at få et materiale, hvor alle molekylerne var fuldstændig på linje."

Holdet arbejdede med samarbejdspartnere ved University of Kentucky, som sendte dem dusinvis af kandidatmaterialer med løste krystalstrukturer. Derefter reducerede Rugg disse materialer til fem eller seks lovende kandidater.

Holdet valgte en ny tetracenthiophenforbindelse kaldet TES TIPS-TT, som har en krystalstruktur, hvor alle molekyler deler en fælles akse. Derefter brugte de tidsopløst paramagnetisk resonansspektroskopi til at karakterisere spin-tilstanden af ​​elektronerne i materialet.

"Det niveau af orienteringskontrol, som vi opnåede [med dette materiale] er ret svært at udføre, og det er ikke mange, der gør det," sagde Rugg. "I sidste ende kan dette kontrolniveau føre til generering af rene kvantetilstande, der er rent indviklede, som har brede potentielle anvendelser."

Blandt disse applikationer vil kvanteberegning være afgørende for indsatsen for vedvarende energi. Selvom kvantedatabehandling ofte bliver udråbt for sin potentielle rolle i kryptografi, har Department of Energy's opfordringer til forslag inden for kvanteinformationsvidenskab i løbet af de sidste par år ansporet NREL-forskere til at spørge, hvordan disse teknologier kan påvirke energilandskabet.

"Et af svarene er, at kvanteberegning giver os mulighed for at løse hårde, energirelevante problemer på en meget mere effektiv måde - ikke alle problemer, men nogle afgørende og komplekse. Hvis vi fortsætter med blot at udvide konventionel computerkraft uden at udvikle nye tilgange for at løse disse problemer, vil det blive uholdbart. Hvis det viser sig at være skalerbart og ikke energikrævende, er kvantecomputere en type ukonventionel databehandling, der vil hjælpe med at løse det."

Energiministeriets første interesse for emnet var med til at sætte gang i den igangværende indsats hos NREL, som nu giver spændende resultater.

"Dette er et langsigtet projekt og en del af en større indsats hos NREL, som vi startede for tre og et halvt år siden, og det er det første af sin slags inden for kvanteinformationsvidenskab her hos NREL," sagde Johnson. "Vi startede virkelig fra bunden, så det er en stor milepæl at kunne udgive dette papir." + Udforsk yderligere

Forskere bruger kvantecomputere til at simulere kvantematerialer