Afirmar que algo tem um defeito normalmente sugere uma característica indesejável. Esse não é o caso em sistemas de estado sólido, como os semicondutores no coração dos dispositivos eletrônicos clássicos modernos. Eles funcionam por causa de defeitos introduzidos no arranjo rigidamente ordenado de átomos em materiais cristalinos como o silício. Surpreendentemente, no mundo quântico, os defeitos também desempenham um papel importante.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), a Universidade de Chicago e institutos científicos e universidades no Japão, A Coréia e a Hungria estabeleceram diretrizes que serão um recurso inestimável para a descoberta de novos sistemas quânticos baseados em defeitos. A equipe internacional publicou essas diretrizes em Nature Reviews Materials .

Esses sistemas têm aplicações possíveis em comunicações quânticas, sensoriamento e computação e, portanto, poderia ter um efeito transformador na sociedade. As comunicações quânticas podem distribuir informações quânticas de forma robusta e segura por longas distâncias, tornando possível uma internet quântica. A detecção quântica pode atingir sensibilidades sem precedentes para medições com astronômico, interesse tecnológico e militar. A computação quântica poderia simular de forma confiável o comportamento da matéria até o nível atômico e, possivelmente, simular e descobrir novas drogas.

A equipe derivou suas diretrizes de projeto com base em uma extensa revisão do vasto corpo de conhecimento adquirido nas últimas décadas sobre defeitos de rotação em materiais de estado sólido.

"Os defeitos que nos interessam aqui são distorções isoladas no arranjo ordenado dos átomos em um cristal, "explicou Joseph Heremans, um cientista do Centro de Engenharia Molecular e Divisão de Ciência de Materiais de Argonne, bem como a Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago.

Essas distorções podem incluir buracos ou vazios criados pela remoção de átomos ou impurezas adicionadas como dopantes. Essas distorções, por sua vez, pode prender elétrons dentro do cristal. Esses elétrons têm uma propriedade chamada spin, que atua como um sistema quântico isolado.

"Spin sendo uma propriedade quântica chave, defeitos de spin podem conter informações quânticas em uma forma que os físicos chamam de bits quânticos, ou qubits, em analogia com o bit de informação na computação clássica, "acrescentou Gary Wolfowicz, cientista assistente no Centro de Engenharia Molecular e Divisão de Ciência de Materiais de Argonne, junto com a Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago.

Por várias décadas, os cientistas têm estudado esses defeitos de spin para criar uma ampla gama de dispositivos de prova de conceito. Contudo, a pesquisa anterior focalizou apenas um ou dois qubits candidatos principais.

"Nosso campo teve um foco um tanto estreito por muitos anos, "disse Christopher Anderson, um pós-doutorado na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago. "Era como se tivéssemos apenas alguns cavalos na corrida quântica. Mas agora entendemos que há muitos outros cavalos quânticos para apoiar, e exatamente o que procurar nesses cavalos. "

As diretrizes da equipe abrangem as propriedades dos defeitos e do material selecionado para hospedá-los. As principais propriedades do defeito são spin, óptico (por exemplo, como a luz interage com o spin dos elétrons aprisionados), e estado de carga do defeito.

Possíveis materiais em estado sólido incluem não apenas os poucos já bem estudados, como o silício, diamante e carboneto de silício, mas outras entradas mais recentes, como vários óxidos. Todos esses materiais têm diferentes vantagens e desvantagens estabelecidas nas diretrizes. Por exemplo, diamante é claro e duro, mas caro. Por outro lado, o silício é fácil de fazer dispositivos com baixo custo, mas é mais afetado por taxas gratuitas e temperatura.

"Nossas diretrizes existem para cientistas e engenheiros quânticos avaliarem a interação entre as propriedades do defeito e o material hospedeiro selecionado no projeto de novos qubits adaptados a alguma aplicação específica, "Heremans observou.

"Os defeitos de rotação têm um papel central a desempenhar na criação de novos dispositivos quânticos, sejam eles pequenos computadores quânticos, a internet quântica, ou sensores quânticos em nanoescala, "continuou Anderson." Aproveitando o amplo conhecimento sobre defeitos de rotação para derivar essas diretrizes, estabelecemos as bases para que a força de trabalho quântica - agora e no futuro - possa projetar do zero o qubit perfeito para um uso específico. "

"Estamos especialmente orgulhosos de nossas diretrizes porque os usuários pretendidos vão de cientistas quânticos veteranos a pesquisadores em outras áreas e estudantes de pós-graduação que desejam ingressar na força de trabalho quântica, "disse Wolfowicz.

O trabalho também estabelece a base para o projeto de dispositivos quânticos semicondutores escaláveis ​​e se encaixa bem com o Q-NEXT, um centro de pesquisa de ciência da informação quântica financiado pelo DOE, liderado por Argonne. O objetivo do Q-NEXT inclui o estabelecimento de uma "fundição" quântica de semicondutores para o desenvolvimento de interconexões e sensores quânticos.

"As diretrizes de nossa equipe funcionarão como um modelo para ajudar a direcionar a missão do Q-NEXT no projeto da próxima geração de materiais e dispositivos quânticos, "disse David Awschalom, cientista sênior na divisão de Ciência de Materiais da Argonne, Liew Family Professor de Engenharia Molecular na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago, e diretor da Chicago Quantum Exchange e da Q-NEXT. "Quando se trata de tecnologias quânticas com spins, este trabalho prepara o terreno e informa ao campo como seguir em frente. "