En la búsqueda del desarrollo de computadoras y redes cuánticas, hay muchos componentes que son fundamentalmente diferentes de los que se utilizan hoy en día. Al igual que una computadora moderna, cada uno de estos componentes tiene diferentes limitaciones. Sin embargo, actualmente no está claro qué materiales se pueden utilizar para construir esos componentes para la transmisión y almacenamiento de información cuántica.

En una nueva investigación publicada en el Journal of the American Chemical Society , el profesor de ingeniería y ciencia de materiales de la Universidad de Illinois Urbana Champaign, Daniel Shoemaker, y el estudiante graduado Zachary Riedel han utilizado cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para identificar posibles compuestos de europio (Eu) que sirvan como una nueva plataforma de memoria cuántica.

También sintetizaron uno de los compuestos predichos, un material nuevo y estable en el aire que es un fuerte candidato para su uso en la memoria cuántica, un sistema para almacenar estados cuánticos de fotones u otras partículas entrelazadas sin destruir la información contenida en esa partícula. /P>

"El problema que intentamos abordar aquí es encontrar un material que pueda almacenar esa información cuántica durante mucho tiempo. Una forma de hacerlo es utilizar iones de metales de tierras raras", afirma Shoemaker.

Los elementos de tierras raras, como el europio, que se encuentran en la parte inferior de la tabla periódica, se han mostrado prometedores para su uso en dispositivos de información cuántica debido a sus estructuras atómicas únicas. Específicamente, los iones de tierras raras tienen muchos electrones densamente agrupados cerca del núcleo del átomo.

La excitación de estos electrones, desde el estado de reposo, puede "vivir" durante mucho tiempo:segundos o incluso horas, una eternidad en el mundo de la informática. Estos estados de larga duración son cruciales para evitar la pérdida de información cuántica y posicionar a los iones de tierras raras como fuertes candidatos para los qubits, las unidades fundamentales de información cuántica.

"Normalmente, en ingeniería de materiales, se puede ir a una base de datos y encontrar qué material conocido debería funcionar para una aplicación particular", explica Shoemaker. "Por ejemplo, la gente ha trabajado durante más de 200 años para encontrar materiales ligeros y de alta resistencia adecuados para diferentes vehículos. Pero en información cuántica, sólo hemos estado trabajando en esto durante una década o dos, por lo que la población de materiales es en realidad muy pequeña. , y rápidamente te encontrarás en territorio químico desconocido."

Shoemaker y Riedel impusieron algunas reglas en su búsqueda de posibles nuevos materiales. Primero, querían utilizar la configuración iónica Eu ³⁺ (a diferencia de la otra configuración posible, Eu ²⁺ ) porque opera en la longitud de onda óptica correcta. Para poder "escribir" ópticamente, los materiales deben ser transparentes.

En segundo lugar, querían un material hecho de otros elementos que tuvieran un solo isótopo estable. Los elementos con más de un isótopo producen una mezcla de diferentes masas nucleares que vibran a frecuencias ligeramente diferentes, lo que codifica la información que se almacena.

En tercer lugar, querían una gran separación entre los iones de europio individuales para limitar las interacciones no deseadas. Sin separación, las grandes nubes de electrones de europio actuarían como un dosel de hojas en un bosque, en lugar de árboles bien espaciados en un vecindario suburbano, donde el susurro de las hojas de un árbol interactuaría suavemente con las hojas de otro. /P>

Con esas reglas implementadas, Riedel compuso un análisis computacional DFT para predecir qué materiales podrían formarse. Después de esta selección, Riedel pudo identificar nuevos candidatos a compuestos de Eu y, además, pudo sintetizar la sugerencia principal de la lista, el haluro de perovskita doble Cs₂. NaEuF₆ . Este nuevo compuesto es estable en el aire, lo que significa que puede integrarse con otros componentes, una propiedad crítica en la computación cuántica escalable. Los cálculos de DFT también predijeron otros posibles compuestos que aún no se han sintetizado.

"Hemos demostrado que aún quedan muchos materiales desconocidos por fabricar que son buenos candidatos para el almacenamiento de información cuántica", afirma Shoemaker. "Y hemos demostrado que podemos fabricarlos de manera eficiente y predecir cuáles serán estables".

Daniel Shoemaker también es afiliado del Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) y del Centro de Tecnología y Ciencia de la Información Cuántica de Illinois (IQUIST) en UIUC. Zachary Riedel es actualmente investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Los Alamos.