در تلاش برای توسعه رایانه‌ها و شبکه‌های کوانتومی، مؤلفه‌های بسیاری وجود دارند که اساساً با اجزای امروزی متفاوت هستند. مانند یک کامپیوتر مدرن، هر یک از این اجزا دارای محدودیت های متفاوتی هستند. با این حال، در حال حاضر مشخص نیست که از چه موادی می توان برای ساخت این اجزا برای انتقال و ذخیره اطلاعات کوانتومی استفاده کرد.
در تحقیق جدید منتشر شده در مجله انجمن شیمی آمریکا ، پروفسور علم و مهندسی مواد دانشگاه ایلینویز Urbana Champaign، دانیل شومیکر و دانشجوی فارغ التحصیل زاخاری ریدل، از محاسبات تئوری تابعی چگالی (density functional theory)یا(DFT) برای شناسایی ترکیبات احتمالی یوروپیوم (Eu) ترکیباتی که به عنوان یک پلت فرم جدید حافظه کوانتومی عمل می کنند. آنها همچنین یکی از ترکیبات پیش بینی شده را سنتز کردند، یک ماده کاملاً جدید و پایدار در هوا که کاندیدای قوی برای استفاده در حافظه کوانتومی است، سیستمی برای ذخیره حالات کوانتومی فوتون ها یا سایر ذرات درهم تنیده بدون از بین بردن اطلاعات نگهداری شده توسط آن ذره.
شومیکر می گوید: “مشکلی که ما در اینجا سعی در حل آن داریم، یافتن ماده ای است که بتواند اطلاعات کوانتومی را برای مدت طولانی ذخیره کند. یکی از راه های انجام این کار استفاده از یون های فلزات کمیاب معدنی است.”
عناصر کمیاب معدنی مانند یوروپیوم که در انتهای جدول تناوبی یافت می‌شوند، به دلیل ساختار اتمی منحصربه‌فردی که دارا است می توان در دستگاه‌های اطلاعات کوانتومی استفاده کرد. به طور خاص، یون‌های معدنی کمیاب دارای تعداد زیادی الکترون هستند که به طور متراکم در نزدیکی هسته اتم قرار گرفته‌اند. برانگیختگی این الکترون‌ها، از حالت استراحت، می‌تواند برای مدت طولانی – ثانیه‌ها یا احتمالاً ساعت‌ها، یک ابدیت در دنیای محاسبات – “زندگی” کند. چنین حالت های طولانی مدت برای جلوگیری از دست رفتن اطلاعات کوانتومی و قرار دادن یون های معدنی کمیاب به عنوان کاندیدای قوی برای کیوبیت ها، واحدهای اساسی اطلاعات کوانتومی، بسیار مهم هستند.
شومیکر توضیح می‌دهد: «به طور معمول در مهندسی مواد، می‌توانید به یک پایگاه داده مراجعه کنید و دریابید که چه مواد شناخته شده‌ای باید برای یک برنامه خاص به کار رود. به عنوان مثال، مردم بیش از 200 سال برای یافتن مواد سبک وزن و استحکام بالا برای وسایل نقلیه مختلف کار کرده اند. اما در اطلاعات کوانتومی، ما فقط یک یا دو دهه است که در این زمینه کار می کنیم، بنابراین گوناگونی مواد در واقع بسیار کم است. و شما به سرعت خود را در قلمرو شیمیایی ناشناخته می یابید.
شومیکر و ریدل در جستجوی مواد جدید احتمالی قوانینی را وضع کردند. اول، آنها می خواستند از پیکربندی یونی Eu 3+ (بر خلاف پیکربندی احتمالی دیگر، Eu 2+ ) استفاده کنند زیرا در طول موج نوری مناسب عمل می کند. برای “نوشتن” نوری، مواد باید شفاف باشند. دوم، آنها ماده ای می خواستند که از عناصر دیگری ساخته شده باشد که فقط یک ایزوتوپ پایدار داشته باشد. عناصری با بیش از یک ایزوتوپ مخلوطی از توده‌های هسته‌ای مختلف تولید می‌کنند که با فرکانس‌های کمی متفاوت می‌لرزند و اطلاعات ذخیره‌شده را به هم می‌ریزند. سوم، آنها خواهان جدایی بزرگ بین یون‌های یوروپیوم جداگانه بودند تا برهمکنش‌های ناخواسته را محدود کنند. بدون جدایی، ابرهای بزرگ الکترون‌های یوروپیوم مانند تاج‌پوشی از برگ‌ها در جنگل عمل می‌کنند، به جای درختان با فاصله مناسب در یک محله حومه شهر، جایی که خش‌خش برگ‌های یک درخت به آرامی با برگ‌های درخت دیگر تعامل می‌کند.
با وجود آن قوانین، ریدل یک غربالگری محاسباتی DFT برای پیش‌بینی موادی که می‌توانند تشکیل شوند، تهیه کرد. پس از این غربالگری، ریدل توانست ترکیبات جدید Eu را شناسایی کند، و علاوه بر آن، او توانست پیشنهاد برتر لیست، هالید پروسکایت دوگانه(the double perovskite halide) Cs 2 NaEuF 6 را ترکیب کند . این ترکیب جدید در هوا پایدار است، به این معنی که می توان آن را با اجزای دیگر ادغام کرد که یک ویژگی مهم در محاسبات کوانتومی مقیاس پذیر است. محاسبات DFT همچنین چندین ترکیب احتمالی دیگر را پیش‌بینی کرد که هنوز سنتز نشده‌اند.
شومیکر می‌گوید: «ما نشان داده‌ایم که مواد ناشناخته زیادی برای ساخت باقی مانده‌اند که کاندیدهای خوبی برای ذخیره‌سازی اطلاعات کوانتومی هستند. و ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم آنها را کارآمد بسازیم و پیش‌بینی کنیم که کدام یک پایدار خواهند بود.»
.Materials provided by University of Illinois Grainger College of Engineering. Original written by Amber Rose. Note: Content may be edited for style and length
