In een nieuw artikel in PNAS , "Triple-Pair Spin Signatures From Macroscopically Aligned Heteroacenes in an Oriented Single Crystal," National Renewable Energy Laboratory (NREL)-onderzoekers Brandon Rugg, Brian Fluegel, Christopher Chang en Justin Johnson pakken een van de fundamentele problemen in de kwantuminformatiewetenschap aan:hoe om pure elementen van kwantuminformatie te produceren - dat wil zeggen degenen die beginnen en blijven in een goed gedefinieerde "spintoestand" - bij praktische temperaturen.

Kwantuminformatiewetenschap heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in berekeningen, waarneming en communicatie. Maar veel van deze toepassingen zijn nog steeds buiten bereik vanwege de uitdagingen van het produceren van eenheden van kwantuminformatie, of qubits, zonder afhankelijk te zijn van extreem lage temperaturen om hun zuiverheid te behouden. De huidige benaderingen voor het identificeren van geschikte kwantummaterialen zijn meestal gebaseerd op vallen en opstaan.

"Het gebied van het ontwikkelen van nieuwe moleculen en materialen [voor de kwantuminformatiewetenschap] vordert soms via ad-hocmethoden en serendipiteit. 'Dit materiaal werkt nu eenmaal beter dan het andere' - we zagen veel van dat gebeuren en besloten uiteindelijk dat het niet zou volstaan ​​voor een project waarbij het doel was om de reeks mogelijke opties te beperken", zegt Justin Johnson, een onderzoeker in het Chemistry and Nanoscience Center van NREL. "We wilden dat de theorie ons duidelijke richtlijnen zou geven over wat er zou moeten gebeuren."

Daarom schakelde het team theoretici in bij de University of Colorado Boulder en koos voor een bottom-upbenadering. In plaats van een combinatorische zoektocht naar kandidaat-kwantummaterialen uit te voeren, werkten ze aan het ontwerpen en synthetiseren van moleculen die verwant zijn aan de moleculen die ze hadden bestudeerd voor fotovoltaïsche energie, maar met de gewenste eigenschappen om als qubit-kandidaten te dienen. Wanneer ze worden geëxciteerd met licht, kan een paar moleculen uitgelijnde spins produceren die bij kamertemperatuur een langlevende qubit kunnen vertegenwoordigen. Zonder een extra montageniveau zal de "staat" van het ensemblesysteem echter onzuiver zijn.

"[In sommige kwantummaterialen] zijn op spin gebaseerde qubits min of meer willekeurig geplaatst en/of georiënteerd in het materiaal, en het is moeilijk om ze te ordenen", zei Johnson. "Moleculen bieden daarentegen een natuurlijk platform voor macroscopische oriëntatie van een ensemble van spins. Als je het molecuul ontwerpt dat je wilt, en wanneer die moleculen kristalliseren, organiseren ze zich van nature in assemblages waarin de moleculen zijn uitgelijnd. Dat is wat ons werk bepaalt afgezien van andere groepen."

Brandon Rugg, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Johnson en de hoofdauteur van het artikel, heeft meer dan twee jaar besteed aan het screenen van kandidaat-kwantummaterialen en het verfijnen van de eigenschappen van hun samenstellende moleculen.

"Bij het screenen van de materialen moesten we veel factoren in evenwicht brengen", zegt Rugg. "Het is erg moeilijk om moleculen te controleren en hoe ze gepositioneerd zijn. Maar in samenwerking met onze medewerkers hebben we een materiaal kunnen krijgen waarin alle moleculen volledig op één lijn liggen."

Het team werkte samen met medewerkers van de Universiteit van Kentucky, die hen tientallen kandidaat-materialen met opgeloste kristalstructuren stuurden. Toen bracht Rugg die materialen terug tot vijf of zes veelbelovende kandidaten.

Het team selecteerde een nieuwe tetraceenthiofeenverbinding genaamd TES TIPS-TT, die een kristalstructuur heeft waarin alle moleculen een gemeenschappelijke as delen. Vervolgens gebruikten ze in de tijd opgeloste paramagnetische resonantiespectroscopie om de spintoestand van de elektronen in het materiaal te karakteriseren.

"Het niveau van oriëntatiecontrole dat we [met dit materiaal] hebben bereikt, is vrij moeilijk om te doen, en niet veel mensen doen het", zei Rugg. "Uiteindelijk zou dit niveau van controle kunnen leiden tot het genereren van pure kwantumtoestanden die puur verstrengeld zijn, wat brede potentiële toepassingen heeft."

Van deze toepassingen zal quantum computing van cruciaal belang zijn voor inspanningen op het gebied van hernieuwbare energie. Hoewel kwantumcomputing vaak wordt aangeprezen vanwege zijn potentiële rol in cryptografie, hebben de oproepen van het ministerie van Energie in de afgelopen jaren NREL-onderzoekers ertoe aangezet om zich af te vragen hoe deze technologieën het energielandschap zouden kunnen beïnvloeden.

"Een van de antwoorden is dat kwantumcomputing ons in staat stelt harde, energierelevante problemen op een veel efficiëntere manier op te lossen - niet alle problemen, maar enkele cruciale en complexe. Als we gewoon doorgaan met het uitbreiden van conventionele rekenkracht zonder nieuwe benaderingen te ontwikkelen om deze problemen op te lossen, wordt het onhoudbaar. Als het schaalbaar en niet energie-intensief blijkt te zijn, is kwantumcomputing een vorm van onconventioneel computergebruik dat daaraan kan helpen."

De aanvankelijke interesse van het ministerie van Energie in het onderwerp heeft ertoe bijgedragen dat de NREL zich voortdurend inspant, wat nu opwindende resultaten oplevert.

"Dit is een langetermijnproject en onderdeel van een grotere inspanning bij NREL waarmee we drieënhalf jaar geleden zijn begonnen, en het is de eerste in zijn soort in de kwantuminformatiewetenschap hier bij NREL," zei Johnson. "We begonnen echt helemaal opnieuw, dus het is een belangrijke mijlpaal om dit artikel te kunnen publiceren." + Verder verkennen

Wetenschappers gebruiken kwantumcomputers om kwantummaterialen te simuleren