I strävan efter att utveckla kvantdatorer och nätverk finns det många komponenter som är fundamentalt annorlunda än de som används idag. Liksom en modern dator har var och en av dessa komponenter olika begränsningar. Men det är för närvarande oklart vilka material som kan användas för att konstruera dessa komponenter för överföring och lagring av kvantinformation.

I ny forskning publicerad i Journal of the American Chemical Society , University of Illinois Urbana Champaign materialvetenskap och ingenjörsprofessor Daniel Shoemaker och doktorand Zachary Riedel har använt densitetsfunktionella teorier (DFT) för att identifiera möjliga europium (Eu)-föreningar för att fungera som en ny kvantminnesplattform.

De syntetiserade också en av de förutspådda föreningarna, ett helt nytt, luftstabilt material som är en stark kandidat för användning i kvantminne, ett system för att lagra kvanttillstånd av fotoner eller andra intrasslade partiklar utan att förstöra informationen som innehas av den partikeln.

"Problemet som vi försöker ta itu med här är att hitta ett material som kan lagra den kvantinformationen under lång tid. Ett sätt att göra detta är att använda joner av sällsynta jordartsmetaller", säger Shoemaker.

Hittade längst ner i det periodiska systemet, sällsynta jordartsmetaller, såsom europium, har visat sig lovande för användning i kvantinformationsenheter på grund av deras unika atomära strukturer. Specifikt har sällsynta jordartsmetalljoner många elektroner tätt samlade nära atomkärnan.

Excitationen av dessa elektroner, från vilotillståndet, kan "leva" under en lång tid – sekunder eller kanske till och med timmar, en evighet i datorvärlden. Sådana långlivade tillstånd är avgörande för att undvika förlust av kvantinformation och positionera sällsynta jordartsmetalljoner som starka kandidater för qubits, kvantinformationens grundläggande enheter.

"Normalt inom materialteknik kan du gå till en databas och hitta vilket känt material som ska fungera för en viss applikation", förklarar Shoemaker. "Till exempel har människor arbetat i över 200 år för att hitta rätt lättviktsmaterial med hög hållfasthet för olika fordon. Men inom kvantinformation har vi bara arbetat med detta i ett eller två decennier, så populationen av material är faktiskt väldigt liten , och du befinner dig snabbt i okänt kemiskt territorium."

Shoemaker och Riedel införde några regler i sitt sökande efter möjliga nya material. Först ville de använda den joniska konfigurationen Eu ³⁺ (i motsats till den andra möjliga konfigurationen, Eu ²⁺ ) eftersom den arbetar vid rätt optisk våglängd. För att kunna "skrivas" optiskt bör materialen vara transparenta.

För det andra ville de ha ett material tillverkat av andra element som bara har en stabil isotop. Grundämnen med mer än en isotop ger en blandning av olika kärnmassor som vibrerar med lite olika frekvenser, vilket förvränger informationen som lagras.

För det tredje ville de ha en stor separation mellan enskilda europiumjoner för att begränsa oavsiktliga interaktioner. Utan separation skulle de stora molnen av europiumelektroner fungera som ett tak av löv i en skog, snarare än väl placerade träd i ett förortsområde, där prasslet av löv från ett träd varsamt interagerar med löv från ett annat.

Med dessa regler på plats komponerade Riedel en DFT-beräkningsscreening för att förutsäga vilka material som skulle kunna bildas. Efter denna screening kunde Riedel identifiera nya EU-föreningskandidater, och vidare kunde han syntetisera toppförslaget från listan, dubbelperovskithalogeniden Cs₂ NaEuF₆ . Denna nya förening är luftstabil, vilket innebär att den kan integreras med andra komponenter, en kritisk egenskap i skalbar kvantberäkning. DFT-beräkningar förutspådde också flera andra möjliga föreningar som ännu inte har syntetiserats.

"Vi har visat att det finns många okända material kvar att tillverka som är goda kandidater för lagring av kvantinformation", säger Shoemaker. "Och vi har visat att vi kan göra dem effektivt och förutsäga vilka som kommer att vara stabila."

Daniel Shoemaker är också en filial till Materials Research Laboratory (MRL) och Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST) vid UIUC. Zachary Riedel är för närvarande postdoktor vid Los Alamos National Laboratory.

Mer information: 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

Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering