Afirmar que algo tiene un defecto normalmente sugiere una característica indeseable. Ese no es el caso de los sistemas de estado sólido, como los semiconductores en el corazón de los dispositivos electrónicos clásicos modernos. Funcionan debido a los defectos introducidos en la disposición rígidamente ordenada de los átomos en materiales cristalinos como el silicio. Asombrosamente, en el mundo cuántico, los defectos también juegan un papel importante.

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Universidad de Chicago e institutos científicos y universidades de Japón, Corea y Hungría han establecido pautas que serán un recurso invaluable para el descubrimiento de nuevos sistemas cuánticos basados ​​en defectos. El equipo internacional publicó estas directrices en Materiales de Nature Reviews .

Estos sistemas tienen posibles aplicaciones en las comunicaciones cuánticas, detección e informática y, por lo tanto, podría tener un efecto transformador en la sociedad. Las comunicaciones cuánticas podrían distribuir información cuántica de forma robusta y segura a largas distancias, haciendo posible una Internet cuántica. La detección cuántica podría alcanzar sensibilidades sin precedentes para las mediciones con biológicos, astronómico, interés tecnológico y militar. La computación cuántica podría simular de manera confiable el comportamiento de la materia hasta el nivel atómico y posiblemente simular y descubrir nuevas drogas.

El equipo derivó sus pautas de diseño basándose en una extensa revisión del vasto conocimiento adquirido durante las últimas décadas sobre defectos de espín en materiales de estado sólido.

"Los defectos que nos interesan aquí son distorsiones aisladas en la disposición ordenada de los átomos en un cristal, "explicó Joseph Heremans, un científico en la división del Centro de Ingeniería Molecular y Ciencia de los Materiales de Argonne, así como la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago.

Tales distorsiones pueden incluir huecos o vacíos creados por la eliminación de átomos o impurezas añadidas como dopantes. Estas distorsiones Sucesivamente, puede atrapar electrones dentro del cristal. Estos electrones tienen una propiedad llamada espín, que actúa como un sistema cuántico aislado.

"Spin es una propiedad cuántica clave, los defectos de espín pueden contener información cuántica en una forma que los físicos llaman bits cuánticos, o qubits, en analogía con el bit de información en la computación clásica, "agregó Gary Wolfowicz, científico asistente en la división del Centro de Ingeniería Molecular y Ciencia de los Materiales de Argonne, junto con la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago.

Durante varias décadas, Los científicos han estado estudiando estos defectos de giro para crear una amplia gama de dispositivos de prueba de concepto. Sin embargo, La investigación anterior solo se ha centrado en uno o dos qubits candidatos principales.

"Nuestro campo ha tenido un enfoque algo limitado durante muchos años, "dijo Christopher Anderson, becario postdoctoral en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago. "Era como si solo tuviéramos unos pocos caballos en la carrera cuántica. Pero ahora entendemos que hay muchos otros caballos cuánticos para respaldar, y exactamente qué buscar en esos caballos ".

Las pautas del equipo abarcan las propiedades tanto de los defectos como del material seleccionado para albergarlos. Las propiedades clave del defecto son spin, óptico (por ejemplo, cómo la luz interactúa con el giro de los electrones atrapados), y estado de carga del defecto.

Los posibles materiales de estado sólido incluyen no solo los pocos ya bien estudiados como el silicio, diamante y carburo de silicio pero otras entradas más recientes como varios óxidos. Todos estos materiales tienen diferentes ventajas y desventajas establecidas en las pautas. Por ejemplo, el diamante es claro y duro, pero caro. Por otra parte, El silicio es fácil de fabricar dispositivos a bajo costo, pero se ve más afectado por las cargas gratuitas y la temperatura.

"Nuestras directrices están ahí para que los científicos e ingenieros cuánticos evalúen la interacción entre las propiedades del defecto y el material anfitrión seleccionado al diseñar nuevos qubits adaptados a alguna aplicación específica". "Notó Heremans.

"Los defectos de espín tienen un papel central que desempeñar en la creación de nuevos dispositivos cuánticos, ya sean pequeñas computadoras cuánticas, la internet cuántica, o sensores cuánticos a nanoescala, "continuó Anderson." Al basarse en el amplio conocimiento sobre los defectos de espín para derivar estas pautas, hemos sentado las bases para que la fuerza laboral cuántica, ahora y en el futuro, pueda diseñar desde cero el qubit perfecto para un uso específico ".

"Estamos especialmente orgullosos de nuestras pautas porque los usuarios previstos se extienden desde científicos cuánticos veteranos hasta investigadores en otros campos y estudiantes graduados que esperan unirse a la fuerza laboral cuántica". "dijo Wolfowicz.

El trabajo también establece las bases para diseñar dispositivos cuánticos semiconductores escalables y encaja bien con Q-NEXT, un centro de investigación de ciencia de la información cuántica financiado por el DOE y dirigido por Argonne. El objetivo de Q-NEXT incluye el establecimiento de una "fundición" cuántica de semiconductores para desarrollar interconexiones cuánticas y sensores.

"Las pautas de nuestro equipo actuarán como un modelo para ayudar a dirigir la misión Q-NEXT en el diseño de la próxima generación de materiales y dispositivos cuánticos, "dijo David Awschalom, científico senior de la división de Ciencia de Materiales de Argonne, Profesor de Ingeniería Molecular de la Familia Liew en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago, y director de Chicago Quantum Exchange y Q-NEXT. "Cuando se trata de tecnologías cuánticas con espines, este trabajo prepara el escenario e informa al campo cómo avanzar ".