材料研究探索量子存储器候选物的设计规则和合成

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。就像现代计算机一样，每个组件都有不同的限制。然而，目前尚不清楚哪些材料可用于构建用于传输和存储量子信息的组件。

在《美国化学学会杂志》上发表的新研究中，伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程教授 Daniel Shoemaker 和研究生 Zachary Riedel 使用密度泛函理论 (DFT) 计算来识别可能的铕 (Eu) 化合物一个新的量子存储平台。

他们还合成了一种预测的化合物，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保存信息的系统。

“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，”舒梅克说。

铕等稀土元素位于元素周期表的最底部，由于其独特的原子结构，有望在量子信息设备中使用。具体来说，稀土离子具有许多紧密聚集在原子核附近的电子。

这些电子在静止状态下的激发可以“存活”很长一段时间——数秒甚至可能数小时，在计算世界中是永恒的。这种长寿命的状态对于避免量子信息丢失以及将稀土离子定位为量子位(量子信息的基本单位)的有力候选者至关重要。

“通常在材料工程中，您可以访问数据库并找到适合特定应用的已知材料，”舒梅克解释道。“例如，人们花了200多年的时间来寻找适合不同车辆的轻质、高强度材料。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非常少。 ，你很快就会发现自己处于未知的化学领域。”

舒梅克和里德尔在寻找可能的新材料时制定了一些规则。首先，他们想要使用离子构型 Eu 3+(而不是其他可能的构型 Eu 2+)，因为它在正确的光学波长下工作。为了以光学方式“书写”，材料应该是透明的。

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。具有不止一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，他们希望单个铕离子之间有很大的分离，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，而不是郊区中间隔良好的树木，那里一棵树的叶子会与另一棵树的叶子轻轻地相互作用。

有了这些规则，Riedel 构建了 DFT 计算筛选来预测可以形成哪些材料。经过这次筛选，Riedel 能够识别出新的 Eu 化合物候选物，并且进一步，他能够合成列表中的最佳建议，即双钙钛矿卤化物 Cs 2 NaEuF 6。这种新化合物在空气中稳定，这意味着它可以与其他组件集成，这是可扩展量子计算的关键特性。DFT 计算还预测了其他几种尚未合成的可能化合物。

“我们已经证明，还有许多未知材料有待制造，它们是量子信息存储的良好候选材料，”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。”

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。