Att hävda att något har en defekt antyder normalt en oönskad egenskap. Det är inte fallet i solid state-system, såsom halvledarna i hjärtat av moderna klassiska elektroniska enheter. De fungerar på grund av defekter som införts i det styvt ordnade arrangemanget av atomer i kristallina material som kisel. Förvånande, i kvantvärlden, defekter spelar också en viktig roll.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, University of Chicago och vetenskapliga institut och universitet i Japan, Korea och Ungern har fastställt riktlinjer som kommer att vara en ovärderlig resurs för upptäckten av nya defektbaserade kvantsystem. Det internationella teamet publicerade dessa riktlinjer i Naturrecensioner Material .

Sådana system har möjliga tillämpningar inom kvantkommunikation, avkänning och beräkning och därigenom kan ha en transformerande effekt på samhället. Kvantkommunikation skulle kunna distribuera kvantinformation robust och säkert över långa avstånd, möjliggör ett kvantinternet. Kvantavkänning kan uppnå oöverträffad känslighet för mätningar med biologiska, astronomisk, tekniskt och militärt intresse. Kvantberäkningar kan på ett tillförlitligt sätt simulera materiens beteende ner till atomnivå och möjligen simulera och upptäcka nya droger.

Teamet härledde sina designriktlinjer baserat på en omfattande genomgång av den stora mängd kunskap som förvärvats under de senaste decennierna om spinnfel i material i fast tillstånd.

"Defekterna som intresserar oss här är isolerade förvrängningar i det ordnade arrangemanget av atomer i en kristall, " förklarade Joseph Heremans, en forskare vid Argonnes Center for Molecular Engineering and Materials Science division, samt University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering.

Sådana förvrängningar kan inkludera hål eller tomrum skapade av avlägsnande av atomer eller föroreningar tillsatta som dopmedel. Dessa snedvridningar, i tur och ordning, kan fånga elektroner i kristallen. Dessa elektroner har en egenskap som kallas spin, som fungerar som ett isolerat kvantsystem.

"Spin är en viktig kvantegenskap, spinndefekter kan hålla kvantinformation i en form som fysiker kallar kvantbitar, eller qubits, i analogi med informationsbiten i klassisk datoranvändning, "tillade Gary Wolfowicz, biträdande forskare vid Argonne's Center for Molecular Engineering and Materials Science division, tillsammans med University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering.

I flera decennier, forskare har studerat dessa spindefekter för att skapa ett brett utbud av proof-of-concept-enheter. Dock, Tidigare forskning har bara fokuserat på en eller två ledande kandidat-qubits.

"Vårt område har haft ett något snävt fokus under många år, "sa Christopher Anderson, en postdoktor vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering. "Det var som att vi bara hade några få hästar i kvantloppet. Men nu förstår vi att det finns många andra kvanthästar att backa, och exakt vad man ska leta efter hos de hästarna."

Teamets riktlinjer omfattar egenskaperna hos både defekterna och det material som valts för att vara värd för dem. De viktigaste defektegenskaperna är spinn, optisk (till exempel hur ljus interagerar med de fångade elektronernas spinn), och laddningstillstånd för defekten.

Möjliga material i fast tillstånd inkluderar inte bara de redan väl studerade få som kisel, diamant och kiselkarbid men andra nyare poster som olika oxider. Alla dessa material har olika fördelar och nackdelar som anges i riktlinjerna. Till exempel, diamant är klar och hård, men dyrt. Å andra sidan, kisel är lätt att tillverka enheter med till låg kostnad, men påverkas mer av gratis laddningar och temperatur.

"Våra riktlinjer är till för kvantforskare och ingenjörer för att bedöma samspelet mellan defektegenskaperna och det valda värdmaterialet vid design av nya qubits skräddarsydda för någon specifik tillämpning, "Noterade Heremans.

"Spindefekter har en central roll att spela för att skapa nya kvantenheter, oavsett om de är små kvantdatorer, kvantinternet, eller kvantsensorer i nanoskala, " fortsatte Anderson. "Genom att dra nytta av den omfattande kunskapen om spindefekter för att härleda dessa riktlinjer, vi har lagt grunden så att kvantarbetskraften – nu och i framtiden – kan designa från grunden den perfekta qubiten för en specifik användning."

"Vi är särskilt stolta över våra riktlinjer eftersom avsedda användare sträcker sig från veterankvantforskare till forskare inom andra områden och doktorander som hoppas kunna ansluta sig till kvantarbetsstyrkan, sa Wolfowicz.

Arbetet etablerar också grunden för att designa skalbara halvledarkvantenheter och passar väl ihop med Q-NEXT, ett forskningscenter för kvantinformationsvetenskap som finansieras av DOE under ledning av Argonne. Q-NEXT:s mål inkluderar att etablera ett halvledarkvant "gjuteri" för att utveckla kvantkopplingar och sensorer.

"Vårt teams riktlinjer kommer att fungera som en plan för att hjälpa till att styra Q-NEXT-uppdraget i att designa nästa generation av kvantmaterial och enheter, sa David Awschalom, senior forskare vid Argonnes materialvetenskapsavdelning, Liew familjeprofessor i molekylär teknik vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, och direktör för både Chicago Quantum Exchange och Q-NEXT. "När det kommer till kvantteknologier med snurr, detta arbete sätter scenen och informerar fältet om hur man går vidare."