Simulări rapide identifică defecte de diamant promițătoare pentru computere cuantice și senzori
O metodă mai rapidă de identificare a materialelor pe bază de diamant pentru computerele cuantice a fost dezvoltată de un cercetător de la Laboratorul de Fizică a Plasmei Princeton din cadrul Departamentului de Energie al SUA. Abordarea a identificat deja materiale promițătoare pentru senzori și computere cuantice practice. Rezultatele au fost publicate în revista ACS Central Science.
Majoritatea materialelor luate în considerare pentru tehnologia cuantică pot menține o stare cuantică stabilă doar la temperaturi extreme. Materialele pe bază de diamant funcționează la temperatura camerei. Diamantul pur, format din atomi de carbon, nu este însă potrivit: defectele sunt esențiale pentru stocarea și procesarea informației. Un defect poate însemna că un atom de carbon lipsește din poziția sa obișnuită, că un alt tip de atom i-a luat locul sau ambele situații. Grupurile de atomi din apropierea unui defect formează unitatea fundamentală de procesare a informației, numită qubit.
Simularea qubiților a fost tradițional extrem de costisitoare din punct de vedere computațional. Mark Martirez, cercetător la PPPL, a rezolvat problema „decupând” un grup mic de doar 16 până la 30 de atomi din jurul defectului. Tratând acest grup ca pe o moleculă izolată, el poate aplica instrumente foarte precise folosite de chimiști de zeci de ani. „Deoarece tratăm qubiții ca molecule, costul calculării acestor defecte este echivalent cu costul modelării unei simple molecule”, a declarat Martirez.
Cu această abordare, cercetătorii au simulat mult mai rapid decât înainte modul în care qubiții răspund la impulsuri de lumină și microunde. Astfel au descoperit noi defecte pe bază de bor și oxigen care ar putea deveni qubiți utili.
Cercetătorii luminează qubiții cu laser și îi pulsează cu microunde pentru a citi informația stocată. Majoritatea cercetărilor s-au concentrat pe defectul azot-vacanță, în care un atom de carbon este înlocuit cu azot, iar o poziție vecină rămâne goală. La iluminare, acest qubit emite lumină roșie într-o anumită stare cuantică. Defectele pe bază de oxigen studiate de Martirez emit lumină albastră, iar cele pe bază de bor emit lumină ultravioletă. Centrele de culoare diferite ar putea fi folosite în moduri diferite într-un singur dispozitiv cuantic. „Ne putem imagina combinarea unor qubiți cu răspunsuri diferite, astfel încât să poți investiga un qubit fără a-l afecta pe celălalt”, a explicat Martirez.
Înțelegerea completă a chimiei qubiților ar putea transforma și conceptul despre cum ar trebui să arate structura unui qubit. Cercetătorii tratează adesea qubiții pe bază de diamant ca pe o problemă de fizică. Noua cercetare arată că aceștia pot fi înțeleși și prin chimie, permițând proiectarea qubiților așa cum un chimist proiectează molecule personalizate pentru un scop specific.
Martirez a declarat că un sistem practic cu mai mulți qubiți ar îmbunătăți considerabil acuratețea calculelor de chimie cuantică. „Am putea descrie molecule mai mari, biomolecule, proteine și tot ce ține de acestea într-un mod mai precis, iar asta ar putea îmbunătăți toate industriile conexe chimiei, precum știința farmaceutică și știința materialelor”, a spus el.
Cercetătorul i-a încurajat și pe alți chimiști să ia în considerare cercetarea în fizica stării solide. „În acest moment, există un accent deosebit pe construirea primului computer cuantic de ultimă generație”, a afirmat Martirez. „Dar nu doar fizicienii ar trebui să participe la această cercetare. Chimiștii au decenii de intuiție dezvoltată despre sistemele chimice care ar putea fi tradusă cu ușurință în înțelegerea defectelor din solide.”
