Исследователи идентифицировали и синтезировали новое соединение европия Cs.2НаЭуФ6, для квантовой памяти, используя расчеты теории функционала плотности. Это открытие знаменует собой значительный прогресс в поиске материалов, способных хранить и передавать квантовую информацию, при этом редкоземельные элементы, такие как европий, демонстрируют особые перспективы благодаря своей уникальной атомной структуре и долгоживущим состояниям электронного возбуждения. Фото: SciTechDaily.com
Революционное соединение на основе европия Cs.2НаЭуФ6может произвести революцию в области хранения квантовой памяти, указывая на многообещающее направление для квантовые вычисления материальное исследование.
В стремлении разработать квантовые компьютеры и сети необходимо использовать множество компонентов, которые фундаментально отличаются от тех, которые используются сегодня. Как и в современном компьютере, каждый из этих компонентов имеет разные ограничения. Однако в настоящее время неясно, какие материалы можно использовать для создания компонентов для передачи и хранения квантовой информации.
Открытие нового материала квантовой памяти
В новом исследовании, опубликованном в журнале Журнал Американского химического обществаПрофессор материаловедения и инженерии Университета Иллинойса в Урбане Шампейн Дэниел Шумейкер и аспирант Захари Ридель использовали расчеты теории функционала плотности (DFT) для идентификации возможных соединений европия (Eu), которые могут служить новой платформой квантовой памяти. Они также синтезировали одно из предсказанных соединений — совершенно новый, устойчивый на воздухе материал, который является сильным кандидатом на использование в квантовой памяти — системе хранения квантовых состояний фотонов или других запутанных частиц без разрушения информации, хранящейся в этой частице.
«Проблема, которую мы здесь пытаемся решить, заключается в поиске материала, который сможет хранить квантовую информацию в течение длительного времени. Один из способов сделать это — использовать ионы редкоземельных металлов», — говорит Шумейкер.
Двойная кристаллическая структура перовскита Cs2НаЭуФ6 синтезированы в данном исследовании. Фото: Грейнджерский инженерный колледж Иллинойского университета в Урбане-Шампейне.
Редкоземельные элементы в квантовой информации
Редкоземельные элементы, такие как европий, находящиеся в самом низу таблицы Менделеева, оказались перспективными для использования в квантовых информационных устройствах благодаря своей уникальной атомной структуре. В частности, редкоземельные ионы имеют множество электронов, плотно сгруппированных вблизи ядра. атом. Возбуждение этих электронов из состояния покоя может «жить» долгое время — секунды или, возможно, даже часы, вечность в мире вычислений. Такие долгоживущие состояния имеют решающее значение для предотвращения потери квантовой информации и позиционирования редкоземельных ионов как сильных кандидатов на роль кубитов, фундаментальных единиц квантовой информации.
Проблемы и решения в области квантовой инженерии материалов
«Обычно в области материаловедения вы можете обратиться к базе данных и найти, какой известный материал подойдет для конкретного применения», — объясняет Шумейкер. «Например, люди более 200 лет работали над поиском подходящих легких и высокопрочных материалов для различных транспортных средств. Но в области квантовой информации мы работаем над этим всего десять или два десятилетия, поэтому популяция материалов на самом деле очень мала, и вы быстро оказываетесь на неизвестной химической территории».
Шумейкер и Ридель установили несколько правил при поиске возможных новых материалов. Во-первых, они хотели использовать ионную конфигурацию Eu3+ (в отличие от другой возможной конфигурации Eu2+), потому что он работает на правильной оптической длине волны. Чтобы быть «написанными» оптически, материалы должны быть прозрачными. Во-вторых, они хотели получить материал, состоящий из других элементов, имеющих только один стабильный изотоп. Элементы с более чем одним изотопом образуют смесь ядер разных масс, которые вибрируют на немного разных частотах, шифруя хранимую информацию. В-третьих, они хотели обеспечить большое расстояние между отдельными ионами европия, чтобы ограничить непреднамеренные взаимодействия. Без разделения большие облака электронов европия действовали бы как полог из листьев в лесу, а не как хорошо расставленные деревья в пригороде, где шелест листьев одного дерева мягко взаимодействовал бы с листьями другого.
Инновации в синтезе квантовых материалов
Имея эти правила, Ридель провел вычислительный анализ DFT, чтобы предсказать, какие материалы могут образоваться. После этого анализа Ридель смог идентифицировать новые кандидаты на соединение Eu, а также синтезировать первое предложение из списка — двойной галогенид перовскита Cs.2НаЭуФ6. Это новое соединение стабильно на воздухе, что означает, что его можно интегрировать с другими компонентами, что является критически важным свойством в масштабируемых квантовых вычислениях. Расчеты DFT также предсказали несколько других возможных соединений, которые еще предстоит синтезировать.
«Мы показали, что еще предстоит создать много неизвестных материалов, которые станут хорошими кандидатами для хранения квантовой информации», — говорит Шумейкер. «И мы показали, что можем создавать их эффективно и предсказывать, какие из них будут стабильными».
Ссылка: «Правила проектирования, точное предсказание энтальпии и синтез стехиометрических кандидатов в квантовую память Eu3+», Закари В. Ридель и Дэниел П. Шумейкер, 12 января 2024 г., Журнал Американского химического общества.
DOI: 10.1021/jacs.3c11615
Дэниел Шумейкер также является филиалом Лаборатории исследования материалов (MRL) и Центра квантовой информатики и технологий штата Иллинойс (IQUIST) при UIUC.
Захари Ридель в настоящее время является научным сотрудником Лос-Аламосской национальной лаборатории.
Это исследование было поддержано Министерством энергетики США, Управлением науки, Национальным исследовательским центром квантовой информатики Q-NEXT. Национальный научный фонд через Центр исследований материалов и инженерии Университета Иллинойса поддержал использование оборудования и приборов.