Die Materialforschung erforscht Designregeln und Synthese von Quantenspeicherkandidaten

Bei der Entwicklung von Quantencomputern und -netzwerken gibt es viele Komponenten, die sich grundlegend von denen unterscheiden, die heute verwendet werden. Wie bei einem modernen Computer unterliegt jede dieser Komponenten unterschiedlichen Einschränkungen. Allerdings ist derzeit unklar, aus welchen Materialien sich diese Komponenten zur Übertragung und Speicherung von Quanteninformation herstellen lassen.

Im Neuzustand Forschung veröffentlicht in der Zeitschrift der American Chemical SocietyDaniel Shoemaker, Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessor an der University of Illinois Urbana Champaign, und der Doktorand Zachary Riedel haben Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet, um mögliche Europium (Eu)-Verbindungen zu identifizieren, die als neue Quantenspeicherplattform dienen könnten.

Sie synthetisierten auch eine der vorhergesagten Verbindungen, ein brandneues, luftstabiles Material, das ein starker Kandidat für die Verwendung im Quantenspeicher ist, einem System zur Speicherung von Quantenzuständen von Photonen oder anderen verschränkten Teilchen, ohne die in diesem Teilchen enthaltenen Informationen zu zerstören.

„Das Problem, das wir hier anzugehen versuchen, besteht darin, ein Material zu finden, das diese Quanteninformationen über einen langen Zeitraum speichern kann. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Verwendung von Ionen seltener Erdmetalle“, sagt Shoemaker.

Seltenerdelemente wie Europium, die ganz unten im Periodensystem stehen, haben sich aufgrund ihrer einzigartigen Atomstrukturen als vielversprechend für den Einsatz in Quanteninformationsgeräten erwiesen. Insbesondere haben Seltenerd-Ionen viele Elektronen, die dicht am Atomkern angehäuft sind.

Die Anregung dieser Elektronen aus dem Ruhezustand kann lange Zeit „leben“ – Sekunden oder möglicherweise sogar Stunden, eine Ewigkeit in der Welt der Informatik. Solche langlebigen Zustände sind entscheidend, um den Verlust von Quanteninformation zu vermeiden und Seltenerdionen als starke Kandidaten für Qubits, die Grundeinheiten der Quanteninformation, zu positionieren.

„Normalerweise kann man in der Werkstofftechnik eine Datenbank aufrufen und herausfinden, welches bekannte Material für eine bestimmte Anwendung geeignet sein sollte“, erklärt Shoemaker. „Zum Beispiel wird seit über 200 Jahren daran gearbeitet, geeignete leichte, hochfeste Materialien für verschiedene Fahrzeuge zu finden. Aber im Bereich der Quanteninformation arbeiten wir erst seit ein oder zwei Jahrzehnten daran, sodass die Materialpopulation tatsächlich sehr klein ist.“ , und man befindet sich schnell auf chemischem Neuland.“

Bei der Suche nach möglichen neuen Materialien stellten Shoemaker und Riedel einige Regeln auf. Erstens wollten sie die ionische Konfiguration Eu3+ verwenden (im Gegensatz zur anderen möglichen Konfiguration, Eu2+), da diese bei der richtigen optischen Wellenlänge arbeitet. Um optisch „geschrieben“ zu werden, sollten die Materialien transparent sein.

Zweitens wollten sie ein Material aus anderen Elementen, die nur ein stabiles Isotop haben. Elemente mit mehr als einem Isotop ergeben eine Mischung verschiedener Kernmassen, die mit leicht unterschiedlichen Frequenzen schwingen und so die gespeicherten Informationen verfälschen.

Drittens wollten sie einen großen Abstand zwischen einzelnen Europiumionen, um unbeabsichtigte Wechselwirkungen zu begrenzen. Ohne Trennung würden die großen Wolken aus Europium-Elektronen wie ein Blätterdach in einem Wald wirken und nicht wie weit auseinander liegende Bäume in einem Vorstadtviertel, wo das Rascheln der Blätter eines Baumes sanft mit den Blättern eines anderen interagieren würde.

Mit diesen Regeln erstellte Riedel ein DFT-Rechnerscreening, um vorherzusagen, welche Materialien sich bilden könnten. Nach diesem Screening konnte Riedel neue Kandidaten für Eu-Verbindungen identifizieren und außerdem den besten Vorschlag aus der Liste synthetisieren, das Doppelperowskithalogenid Cs2NaEuF6. Diese neue Verbindung ist luftstabil, was bedeutet, dass sie in andere Komponenten integriert werden kann, eine entscheidende Eigenschaft im skalierbaren Quantencomputing. DFT-Berechnungen sagten auch mehrere andere mögliche Verbindungen voraus, die noch synthetisiert werden müssen.

„Wir haben gezeigt, dass noch viele unbekannte Materialien hergestellt werden müssen, die gute Kandidaten für die Quanteninformationsspeicherung sind“, sagt Shoemaker. „Und wir haben gezeigt, dass wir sie effizient herstellen und vorhersagen können, welche stabil sein werden.“

Daniel Shoemaker ist außerdem ein Tochterunternehmen des Materials Research Laboratory (MRL) und des Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST) an der UIUC. Zachary Riedel ist derzeit Postdoktorand am Los Alamos National Laboratory.