Квантовая когерентность при комнатной температуре больше не ограничивается алмазами или сверххолодными лабораториями благодаря новой разработанной полимерной цепи.
Концептуальное изображение кубита при комнатной температуре.
Olemedia/Getty Images
Представьте себе мир, где квантовым устройствам не нужно прятаться в громоздких холодильниках, температура которых выше, чем в открытом космосе. Десятилетиями это было главным препятствием, поскольку квантовые состояния исчезают, если их не запереть в кристаллах или машинах, замороженных вблизи абсолютного нуля.
Это делает квантовые приложения непрактичными для реального использования. Интересно, что группа исследователей из Технологического института Джорджии и Университета Алабамы нашла решение этой проблемы.
Они разработали новый тип полимера, пластикоподобного материала, способного удерживать и управлять квантовыми состояниями в твёрдом состоянии при комнатной температуре. Это достижение может изменить наше представление о создании будущих квантовых устройств, выведя их за пределы экстремальных лабораторных условий и сделав частью повседневного использования.
Достижение квантовой невозможности
Для разработки квантового материала, работающего при комнатной температуре, вместо использования жёстких кристаллов, таких как алмаз или карбид кремния, исследователи обратились к химии. Они разработали сопряжённый полимер – длинную молекулярную цепочку, состоящую из чередующихся строительных блоков, проводящих электроны.
Один из блоков представлял собой донорный фрагмент на основе органического соединения дитиеносилола, а другой – акцепторный фрагмент, тиадиазолохиноксалин. Вместе эти фрагменты создавали условия для перемещения неспаренных электронных спинов вдоль основной цепи полимера без быстрой потери квантовой информации.
Они поместили атом кремния в центр донорного звена. Это привело к небольшому скручиванию полимерной цепи, что предотвратило слишком плотное расположение цепей. Обычно плотное расположение приводит к слишком сильному взаимодействию спинов, что приводит к потере их хрупких квантовых состояний. Однако в данном случае скручивание ослабило эти вредные взаимодействия, сохранив при этом возможность электронов взаимодействовать по всей цепи.
Затем, чтобы сделать полимер пригодным для переработки, исследователи добавили длинные углеводородные боковые цепи. Эти цепи предотвращали слипание молекул, обеспечивали лёгкость растворения материала и способствовали поддержанию электронной когерентности по всей цепи. Затем исследователи использовали сочетание теоретического моделирования и экспериментов, чтобы подтвердить работоспособность своей конструкции.
Моделирование показало, что по мере удлинения полимерной цепи спиновая плотность распределяется по ней. В конечном итоге система переходит в основное состояние с высоким спином – низкоэнергетическую конфигурацию с двумя неспаренными электронами, выровненными в одном направлении. Это состояние аналогично состояниям, используемым в твердотельных кубитах.
Экспериментальная проверка материала
Чтобы подтвердить результаты лабораторного моделирования, исследователи сначала провели магнитометрические тесты. Они показали, что спины материала ведут себя так, как если бы в нём находились два неспаренных электрона, выровненных в одном направлении, — это состояние известно как триплетное основное состояние.
Затем они использовали метод, называемый электронной парамагнитной резонансной спектроскопией (ЭПР). Проще говоря, ЭПР немного похож на МРТ, но для электронов. Он использует микроволны и магнитное поле для улавливания слабых магнитных сигналов неспаренных электронов.
Результаты показали узкие и симметричные сигналы, что является хорошим признаком, поскольку означает, что спины ведут себя упорядоченно. Исследователи также измерили g-фактор — число, показывающее, насколько сильно электрон реагирует на магнитное поле.
Для совершенно свободного электрона g-фактор составляет около 2,0. G-фактор полимера был очень близок к этому значению, что означает, что электроны не подвергались сильному возмущению со стороны окружающей среды. Этот низкий уровень возмущения, называемый слабой спин-орбитальной связью, помогает квантовым состояниям дольше сохранять стабильность.
Однако настоящий прорыв произошёл, когда они измерили, как долго спины могут оставаться стабильными. При комнатной температуре время спин-решёточной релаксации полимера (T1) составило около 44 микросекунд, а время фазовой памяти (Tm) — 0,3 микросекунды. Эти значения уже превосходят показатели многих других молекулярных систем.
При охлаждении до 5,5 кельвинов время T1 увеличилось до 44 миллисекунд, а время Tm увеличилось до более чем 1,5 микросекунд. Что особенно важно, эти результаты были достигнуты без помещения материала в замороженные растворители или его изоляции в специальных матрицах — условий, которые обычно делают молекулярные системы непригодными для использования в реальных устройствах.
Группа учёных также продемонстрировала, что полимер способен испытывать осцилляции Раби, что является признаком контролируемых квантовых операций. Применяя микроволновые импульсы, они могли предсказуемо менять спиновые состояния, фактически выполняя базовые действия, необходимые для квантовых вычислений.
Наконец, они продемонстрировали, что этот полимер — не просто лабораторный эксперимент. Он может быть изготовлен из тонких плёнок, работает как полупроводник p-типа в транзисторах и стабильно работает при многократном использовании. Это означает, что его можно интегрировать в электронные устройства, сочетая зарядовые и спиновые функции.
Важный шаг к практическому внедрению квантовых приложений
Это открытие имеет важное значение, поскольку показывает, что квантовые материалы не обязательно должны представлять собой хрупкие кристаллы, заключённые в криогенные камеры. Вместо этого они могут быть гибкими, настраиваемыми и обрабатываемыми полимерами, которые при этом поддерживают квантовую когерентность.
«Эта работа демонстрирует принципиально новый подход к созданию практически применимых органических высокоспиновых кубитов, обеспечивающих когерентное управление в твердом теле», — отмечают авторы исследования.
Такие материалы могут открыть путь к созданию практичных квантовых датчиков, работающих в повседневных условиях, тонкопленочных устройств, сочетающих классическую электронику с квантовыми возможностями, а также масштабируемых платформ для исследования квантовых вычислений.
Однако это нововведение не решает всех проблем, связанных с квантовыми вычислениями. Например, время фазовой памяти (время, в течение которого квантовые состояния синхронизированы) при комнатной температуре всё ещё относительно мало по сравнению с тем, что требуется для крупномасштабных квантовых вычислений.
Теперь исследователи планируют продолжить оптимизацию структуры, протестировать новые комбинации донора и акцептора и изучить архитектуру устройств, в которых электронные и спиновые функции могут работать вместе.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
Sourse: interestingengineering.com
