I en ny tidning i PNAS , "Triplet-Pair Spin Signatures From Macroscopically Aligned Heteroacenes in an Oriented Single Crystal," National Renewable Energy Laboratory (NREL) forskare Brandon Rugg, Brian Fluegel, Christopher Chang och Justin Johnson tacklar ett av de grundläggande problemen inom kvantinformationsvetenskap:hur att producera rena element av kvantinformation – det vill säga de som startar och förblir i ett väldefinierat "snurrtillstånd" – vid praktiska temperaturer.

Kvantinformationsvetenskap har potential att revolutionera beräkning, avkänning och kommunikation. Men många av dessa applikationer är fortfarande utom räckhåll på grund av utmaningarna med att producera enheter av kvantinformation, eller qubits, utan att förlita sig på extremt låga temperaturer för att behålla sin renhet. Nuvarande tillvägagångssätt för att identifiera lämpliga kvantmaterial tenderar att förlita sig på trial and error.

"Fältet för att utveckla nya molekyler och material [för kvantinformationsvetenskap] fortskrider ibland genom ad hoc-metoder och serendipity. "Det här materialet råkar bara fungera bättre än det andra" - vi såg mycket av det hända och bestämde oss till slut. att det inte skulle räcka för ett projekt där målet var att begränsa uppsättningen av möjliga alternativ, säger Justin Johnson, forskare vid NREL:s Chemistry and Nanoscience Center. "Vi ville att teorin skulle ge oss fasta riktlinjer om vad som skulle hända."

Därför anlitade teamet teoretiker vid University of Colorado Boulder och tog en nedifrån-och-upp-strategi. Istället för att genomföra en kombinatorisk sökning efter kandidatkvantmaterial, arbetade de mot att designa och syntetisera molekyler relaterade till dem de hade studerat för solceller, men med de önskade egenskaperna för att fungera som qubit-kandidater. När de exciteras med ljus kan ett par molekyler producera justerade spinn som kan representera en långlivad qubit vid rumstemperatur. Men utan en extra monteringsnivå kommer ensemblesystemets "tillstånd" att vara orent.

"[I vissa kvantmaterial] är spinnbaserade qubits mer eller mindre slumpmässigt placerade och/eller orienterade i materialet, och det är svårt att organisera dem", sa Johnson. "Molekyler, däremot, erbjuder en naturlig plattform för makroskopisk orientering av en ensemble av spinn. Om du designar den molekyl du vill, då när dessa molekyler kristalliseras, organiseras de naturligt i sammansättningar där molekylerna är inriktade. Det är det som sätter vårt arbete förutom andra grupper."

Brandon Rugg, en postdoktor i Johnsons grupp och uppsatsens huvudförfattare, tillbringade över två år med att screena kandidatkvantmaterial och finjustera egenskaperna hos deras ingående molekyler.

"I screening av materialen var vi tvungna att balansera många faktorer," sa Rugg. "Det är väldigt svårt att kontrollera molekyler och hur de är placerade. Men i samarbete med våra medarbetare kunde vi få ett material där alla molekyler var helt inriktade."

Teamet arbetade med medarbetare vid University of Kentucky, som skickade dem dussintals kandidatmaterial med lösta kristallstrukturer. Sedan gick Rugg ner materialet till fem eller sex lovande kandidater.

Teamet valde ut en ny tetracentiofenförening som heter TES TIPS-TT, som har en kristallstruktur där alla molekyler delar en gemensam axel. Sedan använde de tidsupplöst paramagnetisk resonansspektroskopi för att karakterisera spinntillståndet för elektronerna i materialet.

"Nivån av orienteringskontroll som vi uppnådde [med det här materialet] är ganska svår att göra, och det är inte många som gör det," sa Rugg. "I slutändan kan denna nivå av kontroll leda till generering av rena kvanttillstånd som är rent intrasslade, vilket har breda potentiella tillämpningar."

Bland dessa applikationer kommer kvantberäkningar att vara avgörande för ansträngningar för förnybar energi. Även om kvantberäkning ofta hyllas för sin potentiella roll i kryptografi, har Department of Energys utlysningar inom kvantinformationsvetenskap under de senaste åren sporrat NREL-forskare att fråga hur dessa tekniker kan påverka energilandskapet.

"Ett av svaren är att kvantberäkning gör det möjligt för oss att lösa hårda, energirelevanta problem på ett mycket mer effektivt sätt – inte alla problem, utan några avgörande och komplexa. Om vi ​​fortsätter att helt enkelt utöka konventionell datorkraft utan att utveckla nya tillvägagångssätt. för att lösa dessa problem kommer det att bli ohållbart. Om det visar sig vara skalbart och inte energikrävande är kvantberäkning en typ av okonventionell datoranvändning som kommer att hjälpa till att hantera det."

Department of Energys initiala intresse för ämnet hjälpte till att starta pågående ansträngningar vid NREL, som nu ger spännande resultat.

"Det här är ett långsiktigt projekt och en del av en större satsning på NREL som vi startade för tre och ett halvt år sedan, och det är det första i sitt slag inom kvantinformationsvetenskap här på NREL," sa Johnson. "Vi började verkligen från början, så det är en stor milstolpe att kunna publicera denna tidning." + Utforska vidare

Forskare använder kvantdatorer för att simulera kvantmaterial