Europium Unleashed: שכתוב הכללים של אחסון קוונטי

מתחם פורץ דרך מבוסס אירופיום, Cs₂NaEuF₆יכול לחולל מהפכה באחסון זיכרון קוונטי, מה שמצביע על כיוון מבטיח עבור מחשוב קוונטי מחקר חומר.

בשאיפה לפתח מחשבים ורשתות קוונטיות, ישנם רכיבים רבים ששונים באופן מהותי מאלה המשמשים כיום. כמו מחשב מודרני, לכל אחד מהרכיבים הללו יש אילוצים שונים. עם זאת, כרגע לא ברור באילו חומרים ניתן להשתמש כדי לבנות את אותם רכיבים לשידור ואחסון של מידע קוונטי.

גילוי של חומר זיכרון קוונטי חדש

במחקר חדש שפורסם ב- כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה, אוניברסיטת אילינוי אורבנה שמפיין, פרופסור למדעי החומרים וההנדסה דניאל שומייקר, והסטודנט לתואר שני זכרי רידל השתמשו בחישובי תיאוריית פונקציונליות הצפיפות (DFT) כדי לזהות תרכובות אירופיום (Eu) אפשריות שישמשו כפלטפורמת זיכרון קוונטי חדשה. הם גם סינתזו את אחת התרכובות החזויות, חומר חדש לגמרי ויציב באוויר שהוא מועמד חזק לשימוש בזיכרון קוונטי, מערכת לאחסון מצבים קוונטיים של פוטונים או חלקיקים מסתבכים אחרים מבלי להרוס את המידע המוחזק על ידי אותו חלקיק.

"הבעיה שאנחנו מנסים להתמודד איתה היא למצוא חומר שיכול לאחסן את המידע הקוונטי הזה לאורך זמן. אחת הדרכים לעשות זאת היא להשתמש ביונים של מתכות אדמה נדירות", אומר שומייקר.

אלמנטים נדירים של כדור הארץ במידע קוונטי

נמצא בתחתית הטבלה המחזורית, יסודות אדמה נדירים, כגון אירופיום, הראו הבטחה לשימוש בהתקני מידע קוונטי בשל המבנים האטומיים הייחודיים שלהם. באופן ספציפי, ליוני אדמה נדירות יש אלקטרונים רבים המקובצים בצפיפות קרוב לגרעין של אָטוֹם. עירור האלקטרונים הללו, ממצב המנוחה, יכול "לחיות" זמן רב – שניות או אולי אפילו שעות, נצח בעולם המחשוב. מצבים ארוכי חיים כאלה הם חיוניים כדי למנוע אובדן של מידע קוונטי ולמקם יוני אדמה נדירים כמועמדים חזקים לקיוביטים, היחידות הבסיסיות של מידע קוונטי.

אתגרים ופתרונות בהנדסת חומרים קוונטיים

"בדרך כלל בהנדסת חומרים, אתה יכול ללכת למסד נתונים ולמצוא איזה חומר ידוע צריך לעבוד עבור יישום מסוים", מסביר Shoemaker. "לדוגמה, אנשים עבדו למעלה מ-200 שנה כדי למצוא חומרים קלים ובעלי חוזק גבוה עבור כלי רכב שונים. אבל במידע קוונטי, אנחנו עובדים על זה רק עשור או שניים, כך שאוכלוסיית החומרים היא למעשה קטנה מאוד, ואתה מוצא את עצמך במהירות בטריטוריה כימית לא ידועה".

סנדלר ורידל הטילו כמה כללים בחיפוש אחר חומרים חדשים אפשריים. ראשית, הם רצו להשתמש בתצורה היונית Eu³⁺ (בניגוד לתצורה האפשרית האחרת, Eu²⁺) מכיוון שהוא פועל באורך הגל האופטי הנכון. כדי להיות "כתוב" בצורה אופטית, החומרים צריכים להיות שקופים. שנית, הם רצו חומר העשוי מאלמנטים אחרים שיש להם רק איזוטופ יציב אחד. אלמנטים בעלי יותר מאיזוטופ אחד מניבים תערובת של מסות גרעיניות שונות הרוטטות בתדרים מעט שונים, ומערבלים את המידע המאוחסן. שלישית, הם רצו הפרדה גדולה בין יוני אירופיום בודדים כדי להגביל אינטראקציות לא מכוונות. ללא הפרדה, העננים הגדולים של אלקטרונים אירופיום יפעלו כמו חופה של עלים ביער, ולא עצים מרווחים היטב בשכונה פרברית, שבה רשרוש עלים מעץ אחד היה מתקשר בעדינות עם עלים מעץ אחר.

חידושים בסינתזת חומרים קוונטיים

עם הכללים האלה, Riedel חיברה סינון חישובי DFT כדי לחזות אילו חומרים יכולים להיווצר. בעקבות ההקרנה הזו, רידל הצליח לזהות מועמדים חדשים למתחם האיחוד האירופי, ובנוסף, הוא הצליח לסנתז את ההצעה העליונה מהרשימה, כפול פרוסקיט הליד Cs₂NaEuF₆. התרכובת החדשה הזו היא יציבה באוויר, מה שאומר שניתן לשלב אותה עם רכיבים אחרים, תכונה קריטית במחשוב קוונטי ניתן להרחבה. חישובי DFT חזו גם כמה תרכובות אפשריות אחרות שטרם עברו סינתזה.

"הראינו שנותרו הרבה חומרים לא ידועים להכנה שהם מועמדים טובים לאחסון מידע קוונטי", אומר שומייקר. "והראינו שאנחנו יכולים ליצור אותם ביעילות ולחזות אילו מהם יהיו יציבים."

דניאל שומייקר הוא גם שלוחה של מעבדת מחקר החומרים (MRL) ושל המרכז למדע וטכנולוגיה קוונטי של אילינוי (IQUIST) ב-UIUC.

זכרי רידל הוא כיום חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה הלאומית של לוס אלמוס.

מחקר זה נתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי, משרד המדע, המרכז הלאומי לחקר מידע קוונטי Q-NEXT. הקרן הלאומית למדע באמצעות מרכז מחקר המדע וההנדסה לחומרים של אוניברסיטת אילינוי תמכה בשימוש במתקנים ובמכשור.