En un nuevo artículo en PNAS , "Firmas de giro de pares triples de heteroacenos alineados macroscópicamente en un cristal único orientado", los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) Brandon Rugg, Brian Fluegel, Christopher Chang y Justin Johnson abordan uno de los problemas fundamentales en la ciencia de la información cuántica:cómo para producir elementos puros de información cuántica, es decir, aquellos que comienzan y permanecen en un "estado de espín" bien definido, a temperaturas prácticas.

La ciencia de la información cuántica tiene el potencial de revolucionar la computación, la detección y las comunicaciones. Pero muchas de estas aplicaciones aún están fuera del alcance debido a los desafíos de producir unidades de información cuántica, o qubits, sin depender de temperaturas extremadamente bajas para mantener su pureza. Los enfoques actuales para identificar materiales cuánticos adecuados tienden a basarse en prueba y error.

"El campo del desarrollo de nuevas moléculas y materiales [para la ciencia de la información cuántica] a veces progresa a través de métodos ad hoc y casualidad. 'Este material funciona mejor que el otro':vimos que sucedía mucho y finalmente decidimos que no iba a ser suficiente para un proyecto cuyo objetivo era limitar el conjunto de opciones posibles", dijo Justin Johnson, investigador del Centro de Química y Nanociencia del NREL. "Queríamos que la teoría nos proporcionara pautas firmes sobre lo que debería suceder".

En consecuencia, el equipo reclutó a teóricos de la Universidad de Colorado Boulder y adoptó un enfoque de abajo hacia arriba. En lugar de realizar una búsqueda combinatoria de materiales cuánticos candidatos, trabajaron para diseñar y sintetizar moléculas relacionadas con las que habían estudiado para fotovoltaica, pero con las propiedades deseadas para servir como candidatos a qubit. Cuando se excitan con la luz, un par de moléculas pueden producir espines alineados que podrían representar un qubit de larga duración a temperatura ambiente. Sin embargo, sin un nivel adicional de ensamblaje, el "estado" del sistema de ensamblaje será impuro.

"[En algunos materiales cuánticos], los qubits basados ​​en espín están situados u orientados de manera más o menos aleatoria en el material, y es difícil organizarlos", dijo Johnson. "Las moléculas, por el contrario, ofrecen una plataforma natural para la orientación macroscópica de un conjunto de espines. Si diseñas la molécula que deseas, cuando esas moléculas cristalizan, se organizan naturalmente en conjuntos en los que las moléculas están alineadas. Eso es lo que establece nuestro trabajo. aparte de otros grupos."

Brandon Rugg, investigador posdoctoral en el grupo de Johnson y autor principal del artículo, dedicó más de dos años a examinar materiales cuánticos candidatos y afinar las propiedades de sus moléculas constituyentes.

"Al seleccionar los materiales, tuvimos que equilibrar muchos factores", dijo Rugg. "Es muy difícil controlar las moléculas y cómo se colocan. Pero, en colaboración con nuestros colaboradores, pudimos obtener un material en el que todas las moléculas estaban completamente alineadas".

El equipo trabajó con colaboradores de la Universidad de Kentucky, quienes les enviaron docenas de materiales candidatos con estructuras cristalinas resueltas. Luego, Rugg redujo esos materiales a cinco o seis candidatos prometedores.

El equipo seleccionó un nuevo compuesto de tetracenotiofeno llamado TES TIPS-TT, que tiene una estructura cristalina en la que todas las moléculas comparten un eje común. Luego, utilizaron espectroscopía de resonancia paramagnética de resolución temporal para caracterizar el estado de espín de los electrones en el material.

"El nivel de control de la orientación que logramos [con este material] es bastante difícil de lograr y no mucha gente lo hace", dijo Rugg. "En última instancia, este nivel de control podría conducir a la generación de estados cuánticos puros que están puramente entrelazados, lo que tiene amplias aplicaciones potenciales".

Entre estas aplicaciones, la computación cuántica será fundamental para los esfuerzos de energía renovable. Aunque la computación cuántica a menudo se promociona por su papel potencial en la criptografía, las convocatorias de propuestas del Departamento de Energía en ciencia de la información cuántica en los últimos años han incitado a los investigadores del NREL a preguntarse cómo estas tecnologías podrían afectar el panorama energético.

"Una de las respuestas es que la computación cuántica nos permite resolver problemas difíciles relacionados con la energía de una manera mucho más eficiente; no todos los problemas, pero sí algunos cruciales y complejos. Si continuamos simplemente expandiendo el poder de la computación convencional sin desarrollar nuevos enfoques para resolver estos problemas, se volverá insostenible. Si resulta ser escalable y no consume mucha energía, la computación cuántica es un tipo de computación no convencional que ayudará a abordar eso".

El interés inicial del Departamento de Energía en el tema ayudó a impulsar los esfuerzos continuos en NREL, que ahora están dando resultados emocionantes.

"Este es un proyecto a largo plazo y parte de un esfuerzo mayor en NREL que comenzamos hace tres años y medio, y es el primero de su tipo en ciencia de la información cuántica aquí en NREL", dijo Johnson. "Realmente comenzamos desde cero, por lo que es un hito importante poder publicar este artículo". + Explora más

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