Em um novo artigo no PNAS , "Assinaturas de spin de par triplo de heteroacenos alinhados macroscopicamente em um único cristal orientado", os pesquisadores do National Renewable Energy Laboratory (NREL) Brandon Rugg, Brian Fluegel, Christopher Chang e Justin Johnson abordam um dos problemas fundamentais na ciência da informação quântica:como para produzir elementos puros de informação quântica - isto é, aqueles que começam e permanecem em um "estado de spin" bem definido - em temperaturas práticas.
A ciência da informação quântica tem o potencial de revolucionar a computação, a detecção e as comunicações. Mas muitas dessas aplicações ainda estão fora de alcance devido aos desafios de produzir unidades de informação quântica, ou qubits, sem depender de temperaturas extremamente baixas para manter sua pureza. As abordagens atuais para identificar materiais quânticos adequados tendem a depender de tentativa e erro.

"O campo de desenvolvimento de novas moléculas e materiais [para a ciência da informação quântica] às vezes progride através de métodos ad hoc e serendipidade. 'Este material funciona melhor do que o outro' - vimos muito disso acontecendo e decidimos finalmente que não seria suficiente para um projeto onde o objetivo era limitar o conjunto de opções possíveis", disse Justin Johnson, pesquisador do Centro de Química e Nanociência do NREL. "Queríamos que a teoria nos fornecesse diretrizes firmes sobre o que deveria acontecer."

Assim, a equipe recrutou teóricos da Universidade do Colorado em Boulder e adotou uma abordagem de baixo para cima. Em vez de realizar uma busca combinatória por materiais quânticos candidatos, eles trabalharam para projetar e sintetizar moléculas relacionadas àquelas que haviam estudado para energia fotovoltaica, mas com as propriedades desejadas para servir como candidatos a qubit. Quando excitado com luz, um par de moléculas pode produzir spins alinhados que podem representar um qubit de longa duração à temperatura ambiente. No entanto, sem um nível adicional de montagem, o "estado" do sistema de conjunto será impuro.

“[Em alguns materiais quânticos], os qubits baseados em spin são mais ou menos localizados e/ou orientados aleatoriamente no material, e é difícil organizá-los”, disse Johnson. "As moléculas, por outro lado, oferecem uma plataforma natural para a orientação macroscópica de um conjunto de spins. Se você projeta a molécula que deseja, então, quando essas moléculas cristalizam, elas se organizam naturalmente em montagens nas quais as moléculas estão alinhadas. É isso que define nosso trabalho. além de outros grupos”.

Brandon Rugg, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Johnson e principal autor do artigo, passou mais de dois anos selecionando materiais quânticos candidatos e ajustando as propriedades de suas moléculas constituintes.

"Na triagem dos materiais, tivemos que equilibrar muitos fatores", disse Rugg. "É muito difícil controlar as moléculas e como elas estão posicionadas. Mas, em parceria com nossos colaboradores, conseguimos obter um material onde todas as moléculas estavam completamente alinhadas."

A equipe trabalhou com colaboradores da Universidade de Kentucky, que lhes enviaram dezenas de materiais candidatos com estruturas cristalinas resolvidas. Então, Rugg reduziu esses materiais a cinco ou seis candidatos promissores.

A equipe selecionou um novo composto de tetracenethiophene chamado TES TIPS-TT, que possui uma estrutura cristalina na qual todas as moléculas compartilham um eixo comum. Em seguida, eles usaram espectroscopia de ressonância paramagnética resolvida no tempo para caracterizar o estado de spin dos elétrons no material.

"O nível de controle de orientação que alcançamos [com este material] é muito difícil de fazer, e poucas pessoas o fazem", disse Rugg. “Em última análise, esse nível de controle pode levar à geração de estados quânticos puros que são puramente emaranhados, o que tem amplas aplicações potenciais”.

Entre essas aplicações, a computação quântica será fundamental para os esforços de energia renovável. Embora a computação quântica seja frequentemente elogiada por seu papel potencial na criptografia, as chamadas do Departamento de Energia para propostas em ciência da informação quântica nos últimos anos estimularam os pesquisadores do NREL a perguntar como essas tecnologias podem afetar o cenário energético.

"Uma das respostas é que a computação quântica nos permite resolver problemas difíceis e relevantes para a energia de uma maneira muito mais eficiente - não todos os problemas, mas alguns cruciais e complexos. Se continuarmos simplesmente expandindo o poder da computação convencional sem desenvolver novas abordagens para resolver esses problemas, ela se tornará insustentável. Se for escalável e não consumir muita energia, a computação quântica é um tipo de computação não convencional que ajudará a resolver isso."

O interesse inicial do Departamento de Energia no assunto ajudou a estimular os esforços contínuos do NREL, que agora estão produzindo resultados empolgantes.

"Este é um projeto de longo prazo e parte de um esforço maior no NREL que começamos há três anos e meio, e é o primeiro desse tipo em ciência da informação quântica aqui no NREL", disse Johnson. "Nós estávamos realmente começando do zero, então é um marco importante poder publicar este artigo." + Explorar mais

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