量子存储器的候选者：设计和合成的规则

在开发量子计算机和网络的过程中，有许多组件与当今使用的组件根本不同。 与现代计算机一样，每个组件都有不同的限制。 然而，目前尚不清楚可以使用什么材料来构建这些组件来传输和存储量子信息。

在新 研究 发表于美国化学学会杂志，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程教授 丹尼尔·舒梅克 研究生 Zachary Riedel 使用密度泛函理论 (DFT) 计算来识别潜在的铕 (Eu) 化合物，作为量子存储器的新平台。 他们还合成了一种预期的化合物，这是一种全新的空气稳定材料，是量子存储器的有力候选材料，量子存储器是一种存储光子或其他纠缠粒子的量子态而不破坏该粒子所持有信息的系统。

舒梅克说：“我们试图解决的问题是找到一种可以长期存储量子信息的材料。实现这一目标的一种方法是使用稀土金属离子。”

铕等稀土元素位于元素周期表的底部，由于其独特的原子结构，有望用于量子信息设备。 具体来说，稀土离子含有许多紧密堆积在原子核附近的电子。 从静止状态激发出来，这些电子可以“存活”很长一段时间——几秒甚至几小时，永远在计算世界中。 这种长寿命的状态对于避免量子信息丢失至关重要，并将稀土离子定位为量子位（量子信息的基本单位）的有力候选者。

“通常在材料工程中，您可以进入数据库并查找适用于特定应用的已知材料，”Shoemaker 解释道。 “比如，人们花了200多年的时间来寻找适合各种化合物的轻质、高强度的材料。但在量子信息领域，我们在这方面的工作才十几两年，所以材料的数量实际上是非常小，您很快就会发现自己处于未知化学物质的区域。

舒梅克和里德尔在寻找潜在新材料时制定了一些规则。 首先，他们想使用离子构型 Eu³⁺ （与其他可能的配置相比，欧盟²⁺）因为它们在正确的光波长下工作。 为了在视觉上“书写”，材料必须是透明的。 其次，他们想要一种由其他元素制成的只有一种稳定同位素的材料。 含有多种同位素的元素会产生不同核质量的混合物，这些核质量以略有不同的频率振动，从而扰乱所存储的信息。 第三，他们希望各个铕离子之间有显着的分离，以限制意外的相互作用。 如果没有分离，大量的铕电子云就会像森林中的树叶树冠一样，而不是郊区社区中间隔良好的树木，那里一棵树的叶子与另一棵树的叶子轻轻地相互作用。

应用这些规则，Riedel 进行了 DFT 计算检查，以预测可以形成什么材料。 经过这次筛选，Riedel 能够为 EU 找到新的候选化合物，此外，他还能够合成列表中的最佳提案：Cs 双卤化物钙钛矿。₂氟化钠₆。 这种新化合物在空气中稳定，这意味着它可以与其他成分结合，这是可扩展量子计算的关键特性。 DFT 计算还预测了许多其他尚未合成的潜在化合物。

“我们已经证明，还有许多未知材料是存储量子信息的良好候选材料，”舒梅克说。 “我们已经证明，我们可以有效地制造它们并预测哪些将是稳定的。”

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Daniel Shoemaker 也是 UIUC 材料研究实验室 (MRL) 和伊利诺伊州量子信息科学与技术中心 (IQUIST) 的附属机构。

Zachary Riedel 目前是洛斯阿拉莫斯国家实验室的博士后研究员。

这项研究得到了美国能源部科学办公室、国家量子信息科学研究中心 Q-NEXT 的支持。 美国国家科学基金会通过伊利诺伊大学材料研究科学与工程中心支持了设施和仪器的使用。