In un nuovo documento in PNAS , "Firme di spin di triplette da eteroaceni allineati macroscopicamente in un cristallo singolo orientato", i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) Brandon Rugg, Brian Fluegel, Christopher Chang e Justin Johnson affrontano uno dei problemi fondamentali nella scienza dell'informazione quantistica:come per produrre elementi puri di informazione quantistica, cioè quelli che iniziano e rimangono in uno "stato di rotazione" ben definito, a temperature pratiche.

La scienza dell'informazione quantistica ha il potenziale per rivoluzionare il calcolo, il rilevamento e le comunicazioni. Ma molte di queste applicazioni sono ancora irraggiungibili a causa delle sfide legate alla produzione di unità di informazioni quantistiche, o qubit, senza fare affidamento su temperature estremamente basse per mantenerne la purezza. Gli attuali approcci per identificare materiali quantistici adatti tendono a basarsi su tentativi ed errori.

"Il campo dello sviluppo di nuove molecole e materiali [per la scienza dell'informazione quantistica] a volte progredisce attraverso metodi ad hoc e serendipità. 'Questo materiale sembra funzionare meglio dell'altro':ne abbiamo visti molti e alla fine abbiamo deciso che non sarebbe stato sufficiente per un progetto in cui l'obiettivo era limitare l'insieme delle opzioni possibili", ha affermato Justin Johnson, ricercatore presso il Chemistry and Nanoscience Center di NREL. "Volevamo che la teoria ci fornisse linee guida solide su ciò che dovrebbe accadere."

Di conseguenza, il team ha arruolato teorici presso l'Università del Colorado Boulder e ha adottato un approccio dal basso verso l'alto. Invece di condurre una ricerca combinatoria di materiali quantistici candidati, hanno lavorato alla progettazione e alla sintesi di molecole correlate a quelle che avevano studiato per il fotovoltaico, ma con le proprietà desiderate per fungere da candidati qubit. Quando eccitate con la luce, una coppia di molecole può produrre spin allineati che potrebbero rappresentare un qubit di lunga durata a temperatura ambiente. Tuttavia, senza un ulteriore livello di assemblaggio, lo "stato" del sistema dell'insieme sarà impuro.

"[In alcuni materiali quantistici], i qubit basati sullo spin sono situati e/o orientati più o meno casualmente nel materiale, ed è difficile organizzarli", ha affermato Johnson. "Le molecole, al contrario, offrono una piattaforma naturale per l'orientamento macroscopico di un insieme di spin. Se si progetta la molecola che si desidera, quando queste molecole si cristallizzano, si organizzano naturalmente in assiemi in cui le molecole sono allineate. Questo è ciò che imposta il nostro lavoro a parte gli altri gruppi."

Brandon Rugg, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Johnson e autore principale dell'articolo, ha trascorso oltre due anni a selezionare i materiali quantistici candidati e a mettere a punto le proprietà delle loro molecole costituenti.

"Nello screening dei materiali, abbiamo dovuto bilanciare molti fattori", ha affermato Rugg. "È molto difficile controllare le molecole e come sono posizionate. Ma, in collaborazione con i nostri collaboratori, siamo riusciti a ottenere un materiale in cui tutte le molecole fossero completamente allineate".

Il team ha lavorato con i collaboratori dell'Università del Kentucky, che hanno inviato loro dozzine di materiali candidati con strutture cristalline risolte. Quindi, Rugg ha ridotto quei materiali a cinque o sei candidati promettenti.

Il team ha selezionato un nuovo composto tetracenetiofene chiamato TES TIPS-TT, che ha una struttura cristallina in cui tutte le molecole condividono un asse comune. Quindi, hanno utilizzato la spettroscopia di risonanza paramagnetica risolta nel tempo per caratterizzare lo stato di spin degli elettroni nel materiale.

"Il livello di controllo dell'orientamento che abbiamo raggiunto [con questo materiale] è piuttosto difficile da fare e non molte persone lo fanno", ha affermato Rugg. "In definitiva, questo livello di controllo potrebbe portare alla generazione di stati quantistici puri che sono puramente entangled, con ampie potenziali applicazioni."

Tra queste applicazioni, l'informatica quantistica sarà fondamentale per le energie rinnovabili. Sebbene l'informatica quantistica sia spesso propagandata per il suo ruolo potenziale nella crittografia, gli inviti a presentare proposte del Dipartimento dell'Energia nella scienza dell'informazione quantistica negli ultimi anni hanno spronato i ricercatori NREL a chiedersi in che modo queste tecnologie potrebbero avere un impatto sul panorama energetico.

"Una delle risposte è che l'informatica quantistica ci consente di risolvere problemi difficili e rilevanti per l'energia in un modo molto più efficiente, non tutti i problemi, ma alcuni cruciali e complessi. Se continuiamo semplicemente ad espandere la potenza di calcolo convenzionale senza sviluppare nuovi approcci per risolvere questi problemi, diventerà insostenibile. Se risulta essere scalabile e non ad alta intensità energetica, l'informatica quantistica è un tipo di elaborazione non convenzionale che aiuterà a risolverlo."

L'interesse iniziale del Dipartimento dell'Energia per l'argomento ha contribuito a stimolare gli sforzi in corso presso NREL, che ora stanno ottenendo risultati entusiasmanti.

"Questo è un progetto a lungo termine e parte di uno sforzo più grande presso NREL che abbiamo iniziato tre anni e mezzo fa, ed è il primo del suo genere nella scienza dell'informazione quantistica qui presso NREL", ha affermato Johnson. "Stavamo davvero iniziando da zero, quindi è una pietra miliare importante poter pubblicare questo articolo". + Esplora ulteriormente

Gli scienziati utilizzano i computer quantistici per simulare i materiali quantistici