Forscher schaffen Ordnung aus Quantenchaos

In einer neuen Zeitung in PNAS„Triplet-Pair Spin Signatures From Macroscopically Aligned Heteroacenes in an Oriented Single Crystal“, gehen Brandon Rugg, Brian Fluegel, Christopher Chang und Justin Johnson vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) eines der grundlegenden Probleme der Quanteninformationswissenschaft an: Wie um reine Elemente der Quanteninformation zu erzeugen – das heißt, solche, die in einem wohldefinierten „Spin-Zustand“ beginnen und bleiben – bei praktikablen Temperaturen.

Die Quanteninformationswissenschaft hat das Potenzial, die Berechnung, Sensorik und Kommunikation zu revolutionieren. Viele dieser Anwendungen sind jedoch noch unerreichbar, da es schwierig ist, Einheiten von Quanteninformationen oder Qubits herzustellen, ohne auf extrem niedrige Temperaturen angewiesen zu sein, um ihre Reinheit aufrechtzuerhalten. Aktuelle Ansätze zur Identifizierung geeigneter Quantenmaterialien beruhen in der Regel auf Trial-and-Error.

„Das Gebiet der Entwicklung neuer Moleküle und Materialien [for quantum information science] schreitet manchmal durch Ad-hoc-Methoden und glückliche Zufälle voran. ‚Dieses Material funktioniert einfach besser als das andere‘ – wir haben viel davon gesehen und letztendlich entschieden, dass es für ein Projekt, bei dem das Ziel darin bestand, die Menge möglicher Optionen einzuschränken, nicht ausreichen würde“, sagte er Justin Johnson, ein Forscher am Chemistry and Nanoscience Center des NREL: „Wir wollten, dass die Theorie uns feste Richtlinien dafür gibt, was passieren sollte.“

Dementsprechend engagierte das Team Theoretiker an der University of Colorado Boulder und verfolgte einen Bottom-up-Ansatz. Anstatt eine kombinatorische Suche nach Kandidaten für Quantenmaterialien durchzuführen, arbeiteten sie daran, Moleküle zu entwerfen und zu synthetisieren, die mit denen verwandt waren, die sie für die Photovoltaik untersucht hatten, aber die gewünschten Eigenschaften aufwiesen, um als Qubit-Kandidaten zu dienen. Bei Anregung mit Licht kann ein Molekülpaar ausgerichtete Spins erzeugen, die bei Raumtemperatur ein langlebiges Qubit darstellen könnten. Ohne eine zusätzliche Montageebene wird der „Zustand“ des Ensemble-Systems jedoch unrein sein.

„[In some quantum materials], Spin-basierte Qubits sind mehr oder weniger zufällig im Material angeordnet und/oder ausgerichtet, und es ist schwierig, sie zu organisieren“, sagte Johnson. „Moleküle hingegen bieten eine natürliche Plattform für die makroskopische Ausrichtung eines Ensembles von Spins. Wenn Sie das gewünschte Molekül entwerfen, dann organisieren sich diese Moleküle, wenn sie kristallisieren, auf natürliche Weise in Anordnungen, in denen die Moleküle ausgerichtet sind. Das unterscheidet unsere Arbeit von anderen Gruppen.“

Brandon Rugg, ein Postdoktorand in Johnsons Gruppe und Hauptautor der Veröffentlichung, verbrachte über zwei Jahre damit, Kandidaten für Quantenmaterialien zu screenen und die Eigenschaften ihrer konstituierenden Moleküle zu optimieren.

„Beim Screening der Materialien mussten wir viele Faktoren gegeneinander abwägen“, sagt Rugg. „Es ist sehr schwierig, Moleküle und ihre Positionierung zu kontrollieren. Aber in Zusammenarbeit mit unseren Mitarbeitern konnten wir ein Material erhalten, bei dem alle Moleküle vollständig ausgerichtet waren.“

Das Team arbeitete mit Mitarbeitern der University of Kentucky zusammen, die ihnen Dutzende von Kandidatenmaterialien mit gelösten Kristallstrukturen zusandten. Dann reduzierte Rugg diese Materialien auf fünf oder sechs vielversprechende Kandidaten.

Das Team wählte eine neuartige Tetracenthiophen-Verbindung namens TES TIPS-TT aus, die eine Kristallstruktur aufweist, in der alle Moleküle eine gemeinsame Achse haben. Dann verwendeten sie zeitaufgelöste paramagnetische Resonanzspektroskopie, um den Spinzustand der Elektronen im Material zu charakterisieren.

„Das Niveau der Orientierungskontrolle, das wir erreicht haben [with this material] ist ziemlich schwierig, und nicht viele Leute tun es“, sagte Rugg. „Letztendlich könnte dieses Maß an Kontrolle zur Erzeugung reiner Quantenzustände führen, die rein verschränkt sind, was breite potenzielle Anwendungen hat.“

Unter diesen Anwendungen wird Quantencomputer für die Bemühungen um erneuerbare Energien von entscheidender Bedeutung sein. Obwohl Quantencomputing oft für seine potenzielle Rolle in der Kryptographie angepriesen wird, haben die Aufforderungen des Energieministeriums in den letzten Jahren zur Einreichung von Vorschlägen in der Quanteninformationswissenschaft die NREL-Forscher dazu veranlasst, zu fragen, wie sich diese Technologien auf die Energielandschaft auswirken könnten.

„Eine der Antworten ist, dass wir mit Quantencomputing schwierige, energierelevante Probleme viel effizienter lösen können – nicht alle Probleme, aber einige entscheidende und komplexe. Wenn wir einfach weiter herkömmliche Rechenleistung erweitern, ohne neue Ansätze zu entwickeln.“ Um diese Probleme zu lösen, wird es nicht mehr nachhaltig sein. Wenn sich herausstellt, dass es skalierbar und nicht energieintensiv ist, ist Quantencomputing eine Art unkonventionelles Computing, das helfen wird, dies anzugehen.“

Das anfängliche Interesse des Energieministeriums an diesem Thema trug dazu bei, die laufenden Bemühungen des NREL zu entfachen, die nun zu spannenden Ergebnissen führen.

„Dies ist ein langfristiges Projekt und Teil einer größeren Anstrengung bei NREL, die wir vor dreieinhalb Jahren gestartet haben, und es ist das erste seiner Art in der Quanteninformationswissenschaft hier bei NREL“, sagte Johnson. „Wir haben wirklich bei Null angefangen, daher ist es ein wichtiger Meilenstein, dieses Papier veröffentlichen zu können.“