Affermare che qualcosa ha un difetto normalmente suggerisce una caratteristica indesiderabile. Non è il caso dei sistemi a stato solido, come i semiconduttori al centro dei moderni dispositivi elettronici classici. Funzionano a causa di difetti introdotti nella disposizione rigidamente ordinata degli atomi in materiali cristallini come il silicio. Sorprendentemente, nel mondo quantistico, anche i difetti giocano un ruolo importante.

Ricercatori presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), l'Università di Chicago e gli istituti scientifici e le università in Giappone, La Corea e l'Ungheria hanno stabilito linee guida che saranno una risorsa inestimabile per la scoperta di nuovi sistemi quantistici basati sui difetti. Il team internazionale ha pubblicato queste linee guida in Materiali per recensioni sulla natura .

Tali sistemi hanno possibili applicazioni nelle comunicazioni quantistiche, sensoriale e informatico e quindi potrebbe avere un effetto trasformativo sulla società. Le comunicazioni quantistiche potrebbero distribuire le informazioni quantistiche in modo robusto e sicuro su lunghe distanze, rendere possibile un'internet quantistica. Il rilevamento quantistico potrebbe raggiungere sensibilità senza precedenti per le misurazioni con metodi biologici, astronomico, interesse tecnologico e militare. L'informatica quantistica potrebbe simulare in modo affidabile il comportamento della materia fino al livello atomico e possibilmente simulare e scoprire nuovi farmaci.

Il team ha derivato le linee guida di progettazione sulla base di un'ampia revisione del vasto corpus di conoscenze acquisite negli ultimi decenni sui difetti di spin nei materiali allo stato solido.

"I difetti che ci interessano qui sono distorsioni isolate nella disposizione ordinata degli atomi in un cristallo, " ha spiegato Joseph Heremans, uno scienziato nella divisione del Centro per l'ingegneria molecolare e la scienza dei materiali di Argonne, così come la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago.

Tali distorsioni potrebbero includere buchi o spazi vuoti creati dalla rimozione di atomi o impurità aggiunte come droganti. Queste distorsioni, a sua volta, può intrappolare elettroni all'interno del cristallo. Questi elettroni hanno una proprietà chiamata spin, che agisce come un sistema quantistico isolato.

"Lo spin è una proprietà quantistica chiave, i difetti di spin possono contenere informazioni quantistiche in una forma che i fisici chiamano bit quantistici, o qubit, in analogia con il bit di informazione nell'informatica classica, " ha aggiunto Gary Wolfowicz, assistente scienziato nella divisione del Centro per l'ingegneria molecolare e la scienza dei materiali di Argonne, insieme alla Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago.

Per diversi decenni, gli scienziati hanno studiato questi difetti di spin per creare un'ampia gamma di dispositivi proof-of-concept. Però, la ricerca precedente si è concentrata solo su uno o due qubit candidati principali.

"Il nostro campo ha avuto un focus un po' ristretto per molti anni, " ha detto Christopher Anderson, uno studioso post-dottorato presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago. "Era come se avessimo solo pochi cavalli nella corsa quantistica. Ma ora capiamo che ci sono molti altri cavalli quantistici da sostenere, e esattamente cosa cercare in quei cavalli."

Le linee guida del team comprendono le proprietà sia dei difetti che del materiale selezionato per ospitarli. Le proprietà chiave del difetto sono lo spin, ottico (ad esempio, come la luce interagisce con lo spin degli elettroni intrappolati), e stato di carica del difetto.

I possibili materiali allo stato solido includono non solo i pochi già ben studiati come il silicio, diamante e carburo di silicio ma altre voci più recenti come vari ossidi. Tutti questi materiali hanno diversi vantaggi e svantaggi indicati nelle linee guida. Per esempio, il diamante è chiaro e duro, ma costoso. D'altra parte, il silicio è facile da realizzare con dispositivi a basso costo, ma risente maggiormente delle spese gratuite e della temperatura.

"Le nostre linee guida sono a disposizione degli scienziati e degli ingegneri quantistici per valutare l'interazione tra le proprietà del difetto e il materiale ospite selezionato nella progettazione di nuovi qubit su misura per alcune applicazioni specifiche, " ha osservato Heremans.

"I difetti di spin hanno un ruolo centrale da svolgere nella creazione di nuovi dispositivi quantistici, che si tratti di piccoli computer quantistici, Internet quantistico, o sensori quantistici su nanoscala, " ha continuato Anderson. "Attingendo alla vasta conoscenza sui difetti di spin per derivare queste linee guida, abbiamo gettato le basi affinché la forza lavoro quantistica, ora e in futuro, possa progettare da zero il qubit perfetto per un uso specifico."

"Siamo particolarmente orgogliosi delle nostre linee guida perché gli utenti previsti si estendono da scienziati quantistici veterani a ricercatori in altri campi e studenti laureati che sperano di unirsi alla forza lavoro quantistica, " disse Wolfowicz.

Il lavoro stabilisce anche le basi per la progettazione di dispositivi quantistici a semiconduttore scalabili e si integra bene con Q-NEXT, un centro di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica finanziato dal DOE e guidato da Argonne. L'obiettivo di Q-NEXT include la creazione di una "fonderia" quantistica di semiconduttori per lo sviluppo di interconnessioni e sensori quantistici.

"Le linee guida del nostro team fungeranno da modello per aiutare a dirigere la missione Q-NEXT nella progettazione della prossima generazione di materiali e dispositivi quantistici, " disse David Awschalom, scienziato senior nella divisione Scienza dei materiali di Argonne, Liew Family Professor di Ingegneria Molecolare presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago, e direttore sia del Chicago Quantum Exchange che di Q-NEXT. "Quando si tratta di tecnologie quantistiche con spin, questo lavoro pone le basi e informa il campo su come andare avanti".