En 1998, investigadores como Mark Kubinec de UC Berkeley realizaron uno de los primeros cálculos cuánticos simples utilizando moléculas individuales. Usaron pulsos de ondas de radio para invertir los espines de dos núcleos en una molécula, con la orientación "arriba" o "abajo" de cada giro almacenando información de la misma manera que un estado "0" o "1" almacena información en un bit de datos clásico. En aquellos primeros días de las computadoras cuánticas, la orientación combinada de los dos núcleos, es decir, el estado cuántico de la molécula, sólo se podía conservar durante breves períodos en entornos especialmente adaptados. En otras palabras, el sistema perdió rápidamente su coherencia. El control sobre la coherencia cuántica es el paso que falta para construir computadoras cuánticas escalables.

Ahora, los investigadores están desarrollando nuevas vías para crear y proteger la coherencia cuántica. Hacerlo permitirá dispositivos de procesamiento de información y medición exquisitamente sensibles que funcionan en condiciones ambientales o incluso extremas. En 2018, Joel Moore, un científico de la facultad senior en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y profesor en la UC Berkeley, aseguró fondos del Departamento de Energía para crear y dirigir un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía (EFRC), llamado Centro de Nuevos Caminos hacia la Coherencia Cuántica en Materiales (NPQC), para promover esos esfuerzos. "Los EFRC son una herramienta importante para que el DOE permita colaboraciones interinstitucionales enfocadas para lograr un progreso rápido en problemas científicos de vanguardia que están más allá del alcance de los investigadores individuales, "dijo Moore.

A través del NPQC, científicos de Berkeley Lab, UC Berkeley, UC Santa Bárbara, Laboratorio Nacional Argonne, y la Universidad de Columbia están liderando el camino para comprender y manipular la coherencia en una variedad de sistemas de estado sólido. Su enfoque triple se centra en el desarrollo de plataformas novedosas para la detección cuántica; diseñar materiales bidimensionales que alberguen estados cuánticos complejos; y explorar formas de controlar con precisión las propiedades electrónicas y magnéticas de un material a través de procesos cuánticos. La solución a estos problemas se encuentra en la comunidad de la ciencia de los materiales. Desarrollar la capacidad de manipular la coherencia en entornos realistas requiere una comprensión profunda de los materiales que podrían proporcionar bits cuánticos alternativos (o "qubit"), sintiendo o tecnologías ópticas.

Los descubrimientos básicos son la base de nuevos desarrollos que contribuirán a otras inversiones del DOE en la Oficina de Ciencias. A medida que el programa entra en su cuarto año, Varios avances están sentando las bases científicas para las innovaciones en la ciencia de la información cuántica.

Más defectos más oportunidades

Muchos de los logros de NPQC hasta ahora se centran en plataformas cuánticas que se basan en defectos específicos en la estructura de un material llamados defectos de espín. Un defecto de espín en el fondo de cristal correcto puede acercarse a la coherencia cuántica perfecta, al mismo tiempo que posee una robustez y funcionalidad mejoradas.

Estas imperfecciones se pueden utilizar para fabricar plataformas de detección de alta precisión. Cada defecto de espín responde a fluctuaciones extremadamente sutiles en el entorno; y colecciones coherentes de defectos pueden lograr una exactitud y precisión sin precedentes. Pero comprender cómo evoluciona la coherencia en un sistema de muchos giros, donde todos los giros interactúan entre sí, es abrumador. Para enfrentar este desafío, Los investigadores de NPQC están recurriendo a un material común que resulta ser ideal para la detección cuántica:el diamante.

En naturaleza, cada átomo de carbono en la estructura cristalina de un diamante se conecta a otros cuatro átomos de carbono. Cuando un átomo de carbono es reemplazado por un átomo diferente o se omite por completo, que ocurre comúnmente a medida que se forma la estructura cristalina del diamante, el defecto resultante a veces puede comportarse como un sistema atómico que tiene un espín bien definido, una forma intrínseca de momento angular transportado por electrones u otras partículas subatómicas. Al igual que estas partículas, ciertos defectos en el diamante pueden tener una orientación, o polarización, que es "spin-up" o "spin-down".

Al diseñar múltiples defectos de giro diferentes en una red de diamante, Norman Yao, un científico de la facultad en Berkeley Lab y un profesor asistente de física en UC Berkeley, y sus colegas crearon un sistema 3D con giros dispersos por todo el volumen. Dentro de ese sistema, los investigadores desarrollaron una forma de probar el "movimiento" de la polarización de espín a escalas de longitud diminutas.

Usando una combinación de técnicas de medición, Los investigadores encontraron que el espín se mueve en el sistema mecánico cuántico casi de la misma manera que el tinte se mueve en un líquido. Aprender de los tintes ha resultado ser un camino exitoso hacia la comprensión de la coherencia cuántica, como se publicó recientemente en la revista Nature. El comportamiento emergente del espín no solo proporciona un poderoso marco clásico para comprender la dinámica cuántica, pero el sistema de defectos múltiples proporciona una plataforma experimental para explorar cómo funciona también la coherencia. Moore, el director de NPQC y un miembro del equipo que ha estudiado previamente otros tipos de dinámica cuántica, describió la plataforma NPQC como "un ejemplo controlable de forma única de la interacción entre el desorden, interacciones dipolares de largo alcance entre espines, y coherencia cuántica ".

Los tiempos de coherencia de esos defectos de espín dependen en gran medida de su entorno inmediato. Muchos avances de NPQC se han centrado en crear y mapear la sensibilidad a la deformación en la estructura que rodea los defectos individuales en el diamante y otros materiales. Hacerlo puede revelar la mejor manera de diseñar defectos que tengan los tiempos de coherencia más largos posibles en materiales 3D y 2D. Pero, ¿exactamente cómo podrían correlacionarse los cambios impuestos por las fuerzas sobre el material mismo con los cambios en la coherencia del defecto?

Descubrir, Los investigadores de NPQC están desarrollando una técnica para crear áreas deformadas en un cristal anfitrión y medir la deformación. "Si piensa en los átomos en una red en términos de un somier, obtienes diferentes resultados dependiendo de cómo los presionas, "dijo Martin Holt, líder de grupo en microscopía electrónica y de rayos X en el Laboratorio Nacional de Argonne e investigador principal de NPQC. Usando la fuente de fotones avanzada y el centro para materiales a nanoescala, ambas instalaciones de usuario en el Laboratorio Nacional de Argonne, él y sus colegas ofrecen una imagen directa de las áreas deformadas en un cristal anfitrión. Hasta ahora, La orientación de un defecto en una muestra ha sido mayoritariamente aleatoria. Las imágenes revelan qué orientaciones son las más sensibles, proporcionando una vía prometedora para la detección cuántica de alta presión.

"Es realmente hermoso que puedas tomar algo como el diamante y aportarle utilidad. Tener algo lo suficientemente simple como para comprender la física básica pero que también se puede manipular lo suficiente para hacer física compleja es genial". "dijo Holt.

Otro objetivo de esta investigación es la capacidad de transferir un estado cuántico, como el de un defecto en un diamante, coherentemente de un punto a otro utilizando electrones. El trabajo de los científicos de NPQC en Berkeley Lab y Argonne Lab estudia cables cuánticos especiales que aparecen en capas atómicamente delgadas de algunos materiales. La superconductividad se descubrió inesperadamente en uno de esos sistemas, una triple capa de láminas de carbono, por el grupo liderado por Feng Wang, un científico senior de la facultad de Berkeley Lab y profesor de UC Berkeley, y líder del esfuerzo de NPQC en materiales atómicamente delgados. De este trabajo, publicado en Naturaleza en 2019, Wang dijo:"El hecho de que los mismos materiales puedan ofrecer conducción unidimensional protegida y superconductividad abre nuevas posibilidades para proteger y transferir coherencia cuántica".

Hacia dispositivos útiles

Los sistemas de defectos múltiples no solo son importantes como conocimiento científico fundamental. También tienen el potencial de convertirse en tecnologías transformadoras. En nuevos materiales bidimensionales que están allanando el camino para la electrónica ultrarrápida y los sensores ultraestables, Los investigadores de NPQC investigan cómo se pueden utilizar los defectos de espín para controlar las propiedades electrónicas y magnéticas del material. Los hallazgos recientes han ofrecido algunas sorpresas.

"Una comprensión fundamental de los materiales magnéticos a nanoescala y sus aplicaciones en la espintrónica ya ha llevado a una enorme transformación en los dispositivos de almacenamiento y sensores magnéticos. La explotación de la coherencia cuántica en los materiales magnéticos podría ser el próximo salto hacia la electrónica de baja potencia, "dijo Peter Fischer, científico senior y subdirector de la División de Ciencias de los Materiales en Berkeley Lab.

Las propiedades magnéticas de un material dependen completamente de la alineación de los espines en los átomos adyacentes. A diferencia de los giros perfectamente alineados en un imán de refrigerador típico o los imanes utilizados en el almacenamiento de datos clásico, Los antiferromagnetos tienen espines adyacentes que apuntan en direcciones opuestas y se anulan efectivamente entre sí. Como resultado, Los antiferromagnetos no "actúan" magnéticamente y son extremadamente resistentes a las perturbaciones externas. Los investigadores han buscado durante mucho tiempo formas de usarlos en la electrónica basada en espines, donde la información se transporta por giro en lugar de carga. La clave para hacerlo es encontrar una forma de manipular la orientación de los espines y mantener la coherencia.

En 2019, los investigadores de NPQC dirigidos por James Analytis, un científico de la facultad en Berkeley Lab y profesor asociado de física en UC Berkeley, con el postdoctorado Eran Maniv, observó que aplicando un pequeño, Un solo pulso de corriente eléctrica a pequeñas escamas de un antiferromagnet hizo que los espines giraran y "cambiaran" su orientación. Como resultado, Las propiedades del material se pueden ajustar de forma extremadamente rápida y precisa. "Comprender la física detrás de esto requerirá más observaciones experimentales y algunos modelos teóricos, ", dijo Maniv." Los nuevos materiales podrían ayudar a revelar cómo funciona. Este es el comienzo de un nuevo campo de investigación ".

Ahora, los investigadores están trabajando para identificar el mecanismo exacto que impulsa ese cambio en los materiales fabricados y caracterizados en Molecular Foundry, una instalación de usuario en Berkeley Lab. Hallazgos recientes, publicado en Science Advances y Nature Physics , sugieren que el ajuste fino de los defectos en un material en capas podría proporcionar un medio confiable para controlar el patrón de giro en nuevas plataformas de dispositivos. "Este es un ejemplo notable de cómo tener muchos defectos nos permite estabilizar una estructura magnética conmutable, "dijo Moore, el líder NPQC.

Hilando nuevos hilos

En su próximo año de funcionamiento, NPQC se basará en el progreso de este año. Los objetivos incluyen explorar cómo interactúan múltiples defectos en materiales bidimensionales e investigar nuevos tipos de estructuras unidimensionales que podrían surgir. Estas estructuras de menor dimensión podrían probarse a sí mismas como sensores para detectar las propiedades de menor escala de otros materiales. Adicionalmente, centrarse en cómo las corrientes eléctricas pueden manipular las propiedades magnéticas derivadas del espín vinculará directamente la ciencia fundamental con las tecnologías aplicadas.

El progreso rápido en estas tareas requiere la combinación de técnicas y experiencia que solo pueden crearse dentro de un gran marco de colaboración. "No se desarrollan capacidades de forma aislada, ", dijo Holt." El NPQC proporciona el entorno de investigación dinámico que impulsa la ciencia y aprovecha lo que está haciendo cada laboratorio o instalación ". Mientras tanto, el centro de investigación brinda una educación única en las fronteras de la ciencia, incluidas oportunidades para desarrollar la fuerza de trabajo científica que liderará la futura industria cuántica.

El NPQC trae un nuevo conjunto de preguntas y objetivos al estudio de la física básica de los materiales cuánticos. Moore dijo, "La mecánica cuántica gobierna el comportamiento de los electrones en los sólidos, y este comportamiento es la base de gran parte de la tecnología moderna que damos por sentada. Pero ahora estamos al comienzo de la segunda revolución cuántica, donde propiedades como la coherencia ocupan un lugar central, y comprender cómo mejorar estas propiedades abre un nuevo conjunto de preguntas sobre los materiales que debemos responder ".