Materialeforskning udforsker designregler og syntese af kvantehukommelseskandidater

I jagten på at udvikle kvantecomputere og netværk er der mange komponenter, der er fundamentalt anderledes end dem, der bruges i dag. Ligesom en moderne computer har hver af disse komponenter forskellige begrænsninger. Det er dog i øjeblikket uklart, hvilke materialer der kan bruges til at konstruere disse komponenter til transmission og lagring af kvanteinformation.

I ny forskning offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , University of Illinois Urbana Champaign materialevidenskab og ingeniørprofessor Daniel Shoemaker og kandidatstuderende Zachary Riedel har brugt density functional theory (DFT) beregninger til at identificere mulige europium (Eu) forbindelser til at tjene som en ny kvantehukommelsesplatform.

De syntetiserede også en af ​​de forudsagte forbindelser, et helt nyt, luftstabilt materiale, der er en stærk kandidat til brug i kvantehukommelsen, et system til lagring af kvantetilstande af fotoner eller andre sammenfiltrede partikler uden at ødelægge informationen i den partikel.

"Problemet, som vi forsøger at tackle her, er at finde et materiale, der kan lagre den kvanteinformation i lang tid. En måde at gøre dette på er at bruge ioner af sjældne jordarters metaller," siger Shoemaker.

Fundet helt nederst i det periodiske system, har sjældne jordarters grundstoffer, såsom europium, vist lovende brug i kvanteinformationsenheder på grund af deres unikke atomare strukturer. Specifikt har sjældne jordarters ioner mange elektroner tæt klynget tæt på atomets kerne.

Excitationen af ​​disse elektroner fra hviletilstanden kan "leve" i lang tid - sekunder eller muligvis endda timer, en evighed i computerverdenen. Sådanne langlivede tilstande er afgørende for at undgå tab af kvanteinformation og placere sjældne jordarters ioner som stærke kandidater til qubits, de grundlæggende enheder af kvanteinformation.

"Normalt inden for materialeteknik kan du gå til en database og finde, hvilket kendt materiale der skal fungere til en bestemt applikation," forklarer Shoemaker. "F.eks. har folk arbejdet i over 200 år for at finde rigtige letvægtsmaterialer med høj styrke til forskellige køretøjer. Men inden for kvanteinformation har vi kun arbejdet med dette i et årti eller to, så bestanden af ​​materialer er faktisk meget lille. , og du befinder dig hurtigt i ukendt kemisk territorium."

Skomager og Riedel indførte nogle få regler i deres søgen efter mulige nye materialer. Først ønskede de at bruge den ioniske konfiguration Eu ³⁺ (i modsætning til den anden mulige konfiguration, Eu ²⁺ ), fordi den fungerer ved den rigtige optiske bølgelængde. For at blive "skrevet" optisk, skal materialerne være gennemsigtige.

For det andet ønskede de et materiale lavet af andre elementer, der kun har én stabil isotop. Grundstoffer med mere end én isotop giver en blanding af forskellige nukleare masser, der vibrerer ved lidt forskellige frekvenser, og forvrider den information, der lagres.

For det tredje ønskede de en stor adskillelse mellem individuelle europium-ioner for at begrænse utilsigtede interaktioner. Uden adskillelse ville de store skyer af europium-elektroner fungere som en baldakin af blade i en skov, snarere end træer med god afstand i et forstadskvarter, hvor raslen af ​​blade fra et træ forsigtigt ville interagere med blade fra et andet.

Med disse regler på plads komponerede Riedel en DFT-beregningsscreening for at forudsige, hvilke materialer der kunne dannes. Efter denne screening var Riedel i stand til at identificere nye EU-forbindelseskandidater, og yderligere var han i stand til at syntetisere det øverste forslag fra listen, det dobbelte perovskithalogenide Cs₂ NaEuF₆ . Denne nye forbindelse er luftstabil, hvilket betyder, at den kan integreres med andre komponenter, en kritisk egenskab i skalerbar kvanteberegning. DFT-beregninger forudsagde også flere andre mulige forbindelser, der endnu ikke er blevet syntetiseret.

"Vi har vist, at der er mange ukendte materialer tilbage, der skal laves, som er gode kandidater til lagring af kvanteinformation," siger Shoemaker. "Og vi har vist, at vi kan lave dem effektivt og forudsige, hvilke der vil være stabile."

Daniel Shoemaker er også tilknyttet Materials Research Laboratory (MRL) og Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST) ved UIUC. Zachary Riedel er i øjeblikket postdoc-forsker ved Los Alamos National Laboratory.

Flere oplysninger: Zachary W. Riedel et al., Design Rules, Accurate Enthalpy Prediction, and Synthesis of Stoichiometric Eu ³⁺ Quantum Memory Candidates, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11615

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering