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2024-03-12 02:51:38
量子コンピューターとネットワークの開発を目指す中で、現在使用されているものとは根本的に異なるコンポーネントが数多くあります。 現代のコンピューターと同様に、これらのコンポーネントにはそれぞれ異なる制約があります。 ただし、量子情報の送信と保存のためのコンポーネントを構築するためにどのような材料が使用できるかは、現時点では不明です。
で発表された新しい研究では、 アメリカ化学会誌, イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校材料科学・工学教授のダニエル・シューメーカー氏と大学院生のザカリー・リーデル氏は、密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、新しい量子メモリプラットフォームとして機能する可能性のあるユーロピウム（Eu）化合物を特定した。 彼らはまた、予測された化合物の1つである、空気中で安定な新しい材料を合成した。これは、量子メモリ、つまり、粒子が保持する情報を破壊することなく、光子やその他のもつれ粒子の量子状態を保存するシステムで使用するための有力な候補である。
「私たちがここで取り組もうとしている問題は、その量子情報を長期間保存できる材料を見つけることです。これを行う方法の 1 つは、希土類金属のイオンを使用することです」とシューメーカー氏は言います。
周期表の一番下にあるユウロピウムなどの希土類元素は、その独特な原子構造により量子情報デバイスへの使用が期待されています。 具体的には、希土類イオンは原子核の近くに多くの電子が密に集まっています。 これらの電子の励起は、静止状態から、数秒、場合によっては数時間という、コンピューティングの世界では永遠に続く長時間「存続」する可能性があります。 このような長寿命状態は、量子情報の損失を回避し、量子情報の基本単位である量子ビットの有力な候補として希土類イオンを位置づけるために極めて重要です。
「通常、材料工学では、データベースにアクセスして、特定の用途に適した既知の材料を見つけることができます」とシューメーカー氏は説明します。 「たとえば、人々はさまざまな車両に適した軽量で高強度の材料を見つけるために 200 年以上取り組んできました。しかし、量子情報の分野では、これに取り組んでから 10 ～ 20 年しか経っていないため、材料の母集団は実際には非常に少ないです」そうするとすぐに未知の化学領域に入ってしまうことになります。」
Shoemaker と Riedel は、可能性のある新しい素材を探す際にいくつかのルールを課しました。 まず、彼らはイオン構成 Eu3+ (他の可能な構成である Eu2+ とは対照的に) を使用したいと考えました。これは、イオン構成が正しい光波長で動作するためです。 光学的に「書く」ためには、材料は透明である必要があります。 第二に、彼らは安定同位体を 1 つだけ持つ他の元素で作られた材料を望んでいました。 複数の同位体を持つ元素は、わずかに異なる周波数で振動する異なる核質量の混合物を生成し、保存されている情報をスクランブルします。 第三に、彼らは、意図しない相互作用を制限するために、個々のユウロピウム イオンを大きく分離することを望んでいました。 分離がなければ、ユウロピウム電子の大きな雲は、郊外にある間隔をあけて配置された木々ではなく、森林の葉の天蓋のように機能し、ある木の葉のカサカサ音が別の木の葉と穏やかに相互作用するでしょう。
これらのルールを適用して、リーデルはどの材料が形成されるかを予測するための DFT 計算スクリーニングを作成しました。 このスクリーニングの後、リーデルは新しい Eu 化合物候補を特定することができ、さらにリストの最上位候補であるダブルペロブスカイトハロゲン化物 Cs2NaEuF6 を合成することができました。 この新しい化合物は空気中で安定であるため、他のコンポーネントと統合することができ、これはスケーラブルな量子コンピューティングにおいて重要な特性です。 DFT 計算では、まだ合成されていない他のいくつかの可能性のある化合物も予測されました。
「私たちは、量子情報ストレージの有力な候補となる、まだ作られていない未知の材料がたくさんあることを示しました」とシューメーカー氏は言う。 「そして、それらを効率的に作成し、どれが安定するかを予測できることを示しました。」
Daniel Shoemaker は、UIUC の材料研究研究所 (MRL) およびイリノイ量子情報科学技術センター (IQUIST) の所属者でもあります。
ザカリー・リーデルは現在、ロスアラモス国立研究所の博士研究員です。
この研究は、米国エネルギー省科学局、国立量子情報科学研究センター Q-NEXT の支援を受けました。 国立科学財団は、イリノイ大学材料研究科学工学センターを通じて、施設と機器の使用を支援しました。
#量子メモリ候補の設計ルールと合成