Beweren dat iets een defect heeft, suggereert normaal gesproken een ongewenste eigenschap. Dat is niet het geval in solid-state systemen, zoals de halfgeleiders in het hart van moderne klassieke elektronische apparaten. Ze werken vanwege defecten die zijn geïntroduceerd in de star geordende rangschikking van atomen in kristallijne materialen zoals silicium. Verrassend genoeg, in de kwantumwereld, gebreken spelen ook een belangrijke rol.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), de Universiteit van Chicago en wetenschappelijke instituten en universiteiten in Japan, Korea en Hongarije hebben richtlijnen opgesteld die van onschatbare waarde zullen zijn voor de ontdekking van nieuwe op defecten gebaseerde kwantumsystemen. Het internationale team publiceerde deze richtlijnen in Materialen voor natuurrecensies .

Dergelijke systemen hebben mogelijke toepassingen in kwantumcommunicatie, sensing en computing en kan daardoor een transformerend effect hebben op de samenleving. Quantumcommunicatie zou kwantuminformatie robuust en veilig over lange afstanden kunnen verspreiden, een quantuminternet mogelijk maken. Quantum sensing zou ongekende gevoeligheden kunnen bereiken voor metingen met biologische, astronomisch, technologische en militaire interesse. Quantum computing zou het gedrag van materie tot op atomair niveau betrouwbaar kunnen simuleren en mogelijk nieuwe medicijnen kunnen simuleren en ontdekken.

Het team heeft hun ontwerprichtlijnen afgeleid op basis van een uitgebreid overzicht van de enorme hoeveelheid kennis die de afgelopen decennia is verworven over spindefecten in vastestofmaterialen.

"De gebreken die ons hier interesseren, zijn geïsoleerde verstoringen in de ordelijke rangschikking van atomen in een kristal, " legde Joseph Heremans uit, een wetenschapper in Argonne's Centre for Molecular Engineering and Materials Science divisie, evenals de Universiteit van Chicago Pritzker School of Molecular Engineering.

Dergelijke vervormingen kunnen gaten of lege plekken omvatten die zijn ontstaan ​​door de verwijdering van atomen of onzuiverheden die als doteermiddelen zijn toegevoegd. Deze vervormingen, beurtelings, elektronen in het kristal kunnen vangen. Deze elektronen hebben een eigenschap genaamd spin, dat fungeert als een geïsoleerd kwantumsysteem.

"Spin is een belangrijke kwantumeigenschap, spindefecten kunnen kwantuminformatie bevatten in een vorm die natuurkundigen kwantumbits noemen, of qubits, analoog aan het stukje informatie in klassieke informatica, " voegde Gary Wolfowicz toe, assistent-wetenschapper in de afdeling Centre for Molecular Engineering and Materials Science van Argonne, samen met de Universiteit van Chicago Pritzker School of Molecular Engineering.

Sinds enkele decennia is wetenschappers hebben deze spindefecten bestudeerd om een ​​breed scala aan proof-of-concept-apparaten te creëren. Echter, eerder onderzoek heeft zich alleen gericht op een of twee qubits van toonaangevende kandidaten.

"Ons vakgebied heeft al jaren een wat beperkte focus, " zei Christopher Anderson, een postdoctoraal onderzoeker aan de Pritzker School of Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago. "Het was alsof we maar een paar paarden in de kwantumrace hadden. Maar nu begrijpen we dat er veel andere kwantumpaarden zijn om te steunen, en precies wat te zoeken in die paarden."

De richtlijnen van het team omvatten de eigenschappen van zowel de defecten als het materiaal dat is geselecteerd om ze op te vangen. De belangrijkste defecteigenschappen zijn spin, optisch (bijv. hoe licht interageert met de spin van de gevangen elektronen), en laadtoestand van het defect.

Mogelijke vastestofmaterialen omvatten niet alleen de reeds goed bestudeerde weinigen zoals silicium, diamant en siliciumcarbide, maar andere, meer recente vermeldingen zoals verschillende oxiden. Al deze materialen hebben verschillende voor- en nadelen die in de richtlijnen worden uiteengezet. Bijvoorbeeld, diamant is helder en hard, maar duur. Anderzijds, silicium is gemakkelijk om apparaten mee te maken tegen lage kosten, maar wordt meer beïnvloed door gratis kosten en temperatuur.

"Onze richtlijnen zijn er voor kwantumwetenschappers en ingenieurs om het samenspel tussen de defecteigenschappen en het geselecteerde gastheermateriaal te beoordelen bij het ontwerpen van nieuwe qubits die zijn afgestemd op een specifieke toepassing, ’ merkte Heremans op.

"Spindefecten spelen een centrale rol bij het maken van nieuwe kwantumapparaten, of het nu kleine kwantumcomputers zijn, het kwantuminternet, of nanoschaal kwantumsensoren, " vervolgde Anderson. "Door gebruik te maken van de uitgebreide kennis over spindefecten om deze richtlijnen af ​​te leiden, we hebben de basis gelegd zodat het kwantumpersoneel - nu en in de toekomst - vanaf het begin de perfecte qubit voor een specifiek gebruik kan ontwerpen."

"We zijn vooral trots op onze richtlijnen omdat de beoogde gebruikers zich uitstrekken van ervaren kwantumwetenschappers tot onderzoekers op andere gebieden en afgestudeerde studenten die hopen toe te treden tot het kwantumpersoneel, ' zei Wolfowicz.

Het werk legt ook de basis voor het ontwerpen van schaalbare kwantumapparaten voor halfgeleiders en sluit goed aan bij Q-NEXT, een door DOE gefinancierd onderzoekscentrum voor kwantuminformatiewetenschap onder leiding van Argonne. Het doel van Q-NEXT omvat het opzetten van een halfgeleiderkwantum "gieterij" voor het ontwikkelen van kwantuminterconnecties en sensoren.

"De richtlijnen van ons team zullen fungeren als een blauwdruk om de Q-NEXT-missie te sturen bij het ontwerpen van de volgende generatie kwantummaterialen en -apparaten, " zei David Awschalom, senior wetenschapper in de Materials Science-divisie van Argonne, Liew Family Professor in Molecular Engineering aan de Pritzker School of Molecular Engineering van de University of Chicago, en directeur van zowel de Chicago Quantum Exchange als Q-NEXT. "Als het gaat om kwantumtechnologieën met spins, dit werk zet het toneel en informeert het veld hoe verder te gaan."