Золотые «суператомы» могут совершить революцию в квантовых технологиях

Наночастицы золота теперь могут конкурировать с захваченными ионами в квантовых системах, предлагая масштабируемые строительные блоки для устройств нового поколения. Автор: AI/ScienceDaily.com

Эффективность квантовых компьютеров, сенсоров и других приложений часто зависит от свойств электронов, включая их спин. Одна из самых точных систем для высокопроизводительных квантовых технологий основана на использовании спиновых свойств электронов в захваченных атомах газа, но такие системы сложно масштабировать для крупных устройств, таких как квантовые компьютеры. Теперь команда исследователей из Университета Пенсильвании и Университета Колорадо продемонстрировала, как кластеры золота могут имитировать эти газообразные атомы, позволяя ученым использовать их спиновые свойства в легко масштабируемой системе.

«Впервые мы показали, что нанокластеры золота обладают теми же ключевыми спиновыми свойствами, что и современные методы квантовых информационных систем», — заявил Кен Кнаппенбергер, заведующий кафедрой химии в Колледже Эберли Пенсильванского университета и руководитель исследовательской группы. «Удивительно, но мы также можем манипулировать важным свойством — спиновой поляризацией — в этих кластерах, что обычно фиксировано в материалах. Эти кластеры можно легко синтезировать в больших количествах, что делает их перспективными для квантовых приложений».

Две статьи, описывающие свойства золотых кластеров, были опубликованы в журналах ACS Central Science и The Journal of Physical Chemistry Letters.

«Спин электрона влияет не только на химические реакции, но и на квантовые вычисления и сенсорику», — пояснил Нейт Смит, аспирант кафедры химии и ведущий автор одной из статей. «Направление спина и его ориентация относительно других электронов напрямую влияют на точность и продолжительность работы квантовых систем».

Подобно тому, как Земля вращается вокруг своей оси, наклоненной относительно Солнца, электрон может вращаться вокруг своей оси, которая также может быть наклонена относительно ядра. Однако, в отличие от Земли, электрон может вращаться по или против часовой стрелки. Когда множество электронов в материале вращаются в одном направлении, их спины считаются коррелированными, а материал обладает высокой степенью спиновой поляризации.

«Материалы с высокой степенью спиновой корреляции могут сохранять её гораздо дольше, что повышает точность квантовых систем», — добавил Смит.

Современные системы с высокой точностью используют захваченные ионы в газообразном состоянии, позволяя электронам переходить в возбужденные состояния (состояния Ридберга) с высокой спиновой поляризацией. Однако такие системы сложно масштабировать. В новом исследовании ученые обнаружили, что кластеры золота могут имитировать эти свойства, сохраняя при этом возможность масштабирования.

Исследователи также выяснили, что спиновую поляризацию можно настраивать, изменя структуру лигандов (молекул, окружающих золотой кластер). В некоторых случаях поляризация достигала 40%, что сравнимо с лучшими двумерными квантовыми материалами.

«Это открывает новые горизонты для химиков, которые могут проектировать материалы с настраиваемыми свойствами», — отметил Кнаппенбергер. «Это новая глава в квантовой информатике».

Исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США и Национальным научным фондом.

Источники: ScienceDaily, Penn State