A pesquisa de materiais explora regras de design e síntese de candidatos à memória quântica

A estrutura cristalina de perovskita dupla de Cs₂ NaEuF₆ sintetizado nesta pesquisa. Crédito:Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign

Na busca pelo desenvolvimento de computadores e redes quânticas, existem muitos componentes que são fundamentalmente diferentes daqueles usados hoje. Como um computador moderno, cada um desses componentes possui restrições diferentes. No entanto, atualmente não está claro quais materiais podem ser usados para construir esses componentes para a transmissão e armazenamento de informação quântica.

Em nova pesquisa publicada no Journal of the American Chemical Society , O professor de ciência e engenharia de materiais Urbana Champaign da Universidade de Illinois, Daniel Shoemaker, e o estudante de pós-graduação Zachary Riedel usaram cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) para identificar possíveis compostos de európio (Eu) para servir como uma nova plataforma de memória quântica.

Eles também sintetizaram um dos compostos previstos, um material totalmente novo e estável ao ar que é um forte candidato para uso em memória quântica, um sistema para armazenar estados quânticos de fótons ou outras partículas emaranhadas sem destruir a informação mantida por essa partícula.

“O problema que estamos tentando resolver aqui é encontrar um material que possa armazenar essa informação quântica por um longo tempo. Uma maneira de fazer isso é usar íons de metais de terras raras”, diz Shoemaker.

Encontrados na parte inferior da tabela periódica, os elementos de terras raras, como o európio, têm se mostrado promissores para uso em dispositivos de informação quântica devido às suas estruturas atômicas únicas. Especificamente, os íons de terras raras têm muitos elétrons densamente agrupados perto do núcleo do átomo.

A excitação desses elétrons, a partir do estado de repouso, pode “viver” por um longo tempo – segundos ou possivelmente até horas, uma eternidade no mundo da computação. Esses estados de vida longa são cruciais para evitar a perda de informação quântica e posicionar os íons de terras raras como fortes candidatos a qubits, as unidades fundamentais da informação quântica.

“Normalmente, na engenharia de materiais, você pode acessar um banco de dados e descobrir qual material conhecido deve funcionar para uma aplicação específica”, explica Shoemaker. "Por exemplo, as pessoas trabalharam durante mais de 200 anos para encontrar materiais adequados, leves e de alta resistência para diferentes veículos. Mas em informação quântica, só trabalhamos nisso há uma ou duas décadas, então a população de materiais é na verdade muito pequena , e você rapidamente se encontra em território químico desconhecido."

Shoemaker e Riedel impuseram algumas regras na busca por possíveis novos materiais. Primeiro, eles queriam usar a configuração iônica Eu³⁺ (ao contrário da outra configuração possível, Eu²⁺ ) porque opera no comprimento de onda óptico correto. Para serem “escritos” opticamente, os materiais devem ser transparentes.

Em segundo lugar, eles queriam um material feito de outros elementos que tivessem apenas um isótopo estável. Elementos com mais de um isótopo produzem uma mistura de diferentes massas nucleares que vibram em frequências ligeiramente diferentes, embaralhando a informação armazenada.

Terceiro, queriam uma grande separação entre os iões de európio individuais para limitar interacções não intencionais. Sem separação, as grandes nuvens de electrões do európio agiriam como uma copa de folhas numa floresta, em vez de árvores bem espaçadas num bairro suburbano, onde o farfalhar das folhas de uma árvore interagiria suavemente com as folhas de outra.

Com essas regras em vigor, Riedel compôs uma triagem computacional DFT para prever quais materiais poderiam se formar. Após essa triagem, Riedel foi capaz de identificar novos candidatos a compostos de Eu e, além disso, foi capaz de sintetizar a sugestão principal da lista, o haleto duplo de perovskita Cs₂ NaEuF₆ . Este novo composto é estável ao ar, o que significa que pode ser integrado com outros componentes, uma propriedade crítica na computação quântica escalável. Os cálculos da DFT também previram vários outros compostos possíveis que ainda não foram sintetizados.

“Mostramos que ainda existem muitos materiais desconhecidos a serem fabricados que são bons candidatos para armazenamento de informação quântica”, diz Shoemaker. “E mostramos que podemos produzi-los com eficiência e prever quais serão estáveis”.

Daniel Shoemaker também é afiliado do Laboratório de Pesquisa de Materiais (MRL) e do Centro de Ciência e Tecnologia de Informação Quântica de Illinois (IQUIST) na UIUC. Zachary Riedel é atualmente pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional de Los Alamos.

Mais informações: Zachary W. Riedel et al, Regras de projeto, previsão precisa de entalpia e síntese de Eu estequiométrico³⁺ Candidatos à Memória Quântica, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11615
Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois

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