Eine neue, elegante Gleichung ermöglicht es Wissenschaftlern, die Quanteninformationslebensdauer von 12.000 verschiedenen Materialien einfach zu berechnen.
Wissenschaftler haben eine mathematische Abkürzung zur Berechnung eines äußerst wichtigen Merkmals von Quantengeräten entdeckt.
Nachdem sie die Zahlen zu den Quanteneigenschaften von 12.000 Elementen und Verbindungen zusammengerechnet haben, haben Forscher eine neue Gleichung veröffentlicht, um die Zeitspanne abzuschätzen, die die Materialien Quanteninformationen aufrechterhalten können, die so genannte „Kohärenzzeit“.
„Die Menschen mussten sich auf komplizierte Codes und Berechnungen verlassen, um die Kohärenzzeiten von Spin-Qubits vorherzusagen. Aber jetzt können die Menschen die Vorhersage sofort selbst berechnen. Autor Shun Kanai von der Tohoku-Universität.
Die elegante Formel ermöglicht es Wissenschaftlern, die Kohärenzzeiten der Materialien im Handumdrehen abzuschätzen – im Vergleich zu den Stunden oder Wochen, die es dauern würde, um einen genauen Wert zu berechnen.
Das Team, bestehend aus Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), der University of Chicago, der Tohoku University in Japan und der Ajou University in Korea, veröffentlichte seine Ergebnisse im April in der Proceedings of the National Academy of Sciences.
Die Gleichung des Teams gilt für eine bestimmte Klasse von Materialien – diejenigen, die in Geräten verwendet werden können, die als Spin-Qubits bezeichnet werden.
„Die Menschen mussten sich auf komplizierte Codes und Berechnungen verlassen, um die Spin-Qubit-Kohärenzzeiten vorherzusagen. Aber jetzt können die Menschen die Vorhersage sofort selbst berechnen“, sagte Kanai. „Dies eröffnet Forschern Möglichkeiten, die nächste Generation von Qubit-Materialien selbst zu finden.“
Qubits sind die grundlegende Einheit der Quanteninformation, die Quantenversion klassischer Computerbits. Es gibt sie in verschiedenen Formen und Varianten, einschließlich eines Typs namens Spin-Qubit. Ein Spin-Qubit speichert Daten im Spin eines Materials – eine Quanteneigenschaft, die allen atomaren und subatomaren Materien wie Elektronen, Atomen und Atomgruppen eigen ist.
Wissenschaftler erwarten, dass Quantentechnologien dazu beitragen können, unseren Alltag zu verbessern. Wir können möglicherweise Informationen über Quantenkommunikationsnetzwerke senden, die für Hacker undurchdringlich sind, oder wir könnten Quantensimulationen verwenden, um die Arzneimittelabgabe zu beschleunigen.
Die Realisierung dieses Potenzials wird davon abhängen, dass Qubits vorhanden sind, die stabil genug sind – mit ausreichend langen Kohärenzzeiten – um die Informationen zu speichern, zu verarbeiten und zu senden.
Während die Gleichung des Forschungsteams nur eine grobe Vorhersage der Kohärenzzeit eines Materials liefert, kommt sie dem wahren Wert ziemlich nahe. Und was der Gleichung an Präzision fehlt, macht sie durch Bequemlichkeit wett. Es sind nur fünf Zahlen erforderlich – die Werte von fünf bestimmten Eigenschaften des betreffenden Materials – um eine Lösung zu erhalten. Schließen Sie sie an und voila! Du hast deine Kohärenzzeit.
Diamant und Siliziumkarbid sind derzeit die am besten etablierten Materialien zum Hosten von Spin-Qubits. Jetzt können Wissenschaftler andere Kandidaten untersuchen, ohne tagelang berechnen zu müssen, ob ein Material einen tieferen Tauchgang wert ist.
„Die Gleichung ist wie eine Linse. Sie sagt dir: ‚Schau her, schau dir dieses Material an – es sieht vielversprechend aus'“, sagte Giulia Galli, Professorin an der University of Chicago und leitende Wissenschaftlerin der Argonne, Co-Autorin der Studie und Q-NEXT Mitarbeiter. „Wir sind auf der Suche nach neuen Qubit-Plattformen, neuen Materialien. Das Identifizieren mathematischer Beziehungen wie dieser weist auf neue Materialien hin, die es auszuprobieren und zu kombinieren gilt.“
Mit dieser Gleichung wollen die Forscher die Genauigkeit ihres Modells steigern.
Sie werden sich auch mit Forschern in Verbindung setzen, die die Materialien mit den vielversprechendsten Kohärenzzeiten herstellen können, und testen, ob sie so gut funktionieren, wie es die Gleichung vorhersagt. (Das Team konnte bereits einen Erfolg verzeichnen: Ein Wissenschaftler außerhalb des Teams berichtete, dass die relativ lange Kohärenzzeit eines Materials namens Calciumwolframat wie von der Formel des Teams vorhergesagt funktionierte.)
„Unsere Ergebnisse helfen uns bei der Weiterentwicklung der aktuellen Quanteninformationstechnologie, aber das ist noch nicht alles“, sagte Professor Hideo Ohno von der Tohoku-Universität, der derzeit Präsident der Universität und Co-Autor der Veröffentlichung ist. „Es wird neue Möglichkeiten erschließen, indem es die Quantentechnologie mit einer Vielzahl herkömmlicher Systeme verbindet, was es uns ermöglicht, noch größere Fortschritte mit den Materialien zu machen, mit denen wir bereits vertraut sind. Wir verschieben mehr als eine wissenschaftliche Grenze.“
Shun Kanai et al., Verallgemeinerte Skalierung der Spin-Qubit-Kohärenz in über 12.000 Wirtsmaterialien, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2121808119