Un qubit est le cœur délicat et transformant l'information d'un appareil quantique. Au cours des prochaines décennies, les progrès des informations quantiques devraient nous donner des ordinateurs avec de nouvelles capacités et détecteurs puissants pouvant ramasser des signaux à l'échelle atomique en médecine, en navigation et plus encore. La réalisation de ces technologies dépend de la possibilité d'avoir des qubits fiables et durables.
Maintenant, les chercheurs ont pris une étape importante dans la compréhension des règles nécessaires à la conception de qubits utiles et efficaces.
En utilisant une modélisation informatique avancée, les chercheurs ont trouvé un moyen de prédire avec précision et de régler les propriétés magnétiques clés d'un type de dispositif appelé qubit moléculaire. Ils ont également déterminé quels facteurs dans le matériau que le qubit se trouve dans l'affecte le plus et a calculé la durée de la durée des qubits.
Leurs prédictions ont correspondant à ce que les expériences voient.
« Je pense que ce travail ouvrira de nouveaux lieux pour les simulations de qubits moléculaires à partir des premiers principes, et je le vois comme un véritable point de départ pour de nombreuses nouvelles enquêtes à venir, en particulier sur l'assemblée des qubits moléculaires », a déclaré Giulia Galli, qui a dirigé l'équipe.
Galli est un scientifique principal au Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'Énergie (DOE) et professeur de structure électronique et simulations de la famille de Liew à la Pritzker School of Molecular Engineering et au Département de chimie de l'Université de Chicago.
Le travail du groupe est publié dans le Journal de l'American Chemical Society.
Concevoir des qubits à SPEC
Un qubit moléculaire est composé d'une molécule assise à l'intérieur d'un cristal plus grand. L'équipe de Galli s'est concentrée sur les systèmes à base de chrome.
Traditionnellement, les scientifiques construisent des qubits moléculaires en créant différents matériaux, en les testant et en mesurant leurs performances, comme l'élevage de bâtiments de différents matériaux et, une fois construits, tester leur endurance dans différentes conditions météorologiques.
C'est une approche valable. Mais l'équipe voulait donner une direction sur la façon de concevoir des qubits moléculaires aux spécifications. Les Qubits basés sur le chrome ont donné à l'équipe de recherche l'occasion de développer une méthode de calcul qui pourrait prédire comment les caractéristiques clés du qubit répondraient à différents choix de conception.
« Du point de vue de la conception, nous voulions trouver des règles pour concevoir différentes propriétés de qubits qui sont bénéfiques pour notre application spécifique, qu'il s'agisse de communication quantique, de détection quantique ou d'informatique quantique », a déclaré le chercheur postdoctoral Argonne Michael Toriyama.
« Grâce à nos travaux, nous avons développé une méthode entièrement informatique pour déterminer ces principes d'ingénierie. »
Se séparer et tourner
L'étoile du qubit moléculaire est quelque chose appelé «spin». C'est une caractéristique de chaque atome. Tout comme le code Morse utilise des points et des tirets pour transporter des messages, un qubit moléculaire utilise un spin pour coder des informations quantiques.
Le rotation d'un centre de chrome peut se diviser en trois niveaux d'énergie magnétique. C'est un phénomène appelé «division zéro-champ» ou ZFS. Les niveaux d'énergie changent en fonction de la façon dont l'atome est situé dans le cristal. (Le « zéro » fait référence à l'absence de champs électromagnétiques extérieurs.)
Les scientifiques ont besoin de connaître les énergies de chaque niveau pour contrôler précisément le qubit. Sans connaître les valeurs ZFS, le contrôle du qubit serait comme essayer de régler une radio sans connaître la fréquence d'une station.
La capacité de définir le ZFS est particulièrement utile dans les grands systèmes quantiques avec de nombreux qubits, qui doivent avoir des différences d'énergie prévisibles et contrôlables pour éviter les interférences indésirables. Le contrôle du ZFS permet également des durées de vie du qubit plus longues ou des temps de cohérence – plus de temps pour que le qubit traite les informations avant sa désintégration.
« Nous pouvons prédire le temps de cohérence du ZFS en utilisant nos méthodes, permettant à de meilleurs principes de conception d'étendre la cohérence d'un qubit », a déclaré Toriyama. « C'est comme si nous découvrions comment construire une meilleure armure autour du qubit pour le protéger. »
Le protocole de calcul du groupe pour prédire le ZFS donne aux scientifiques un moyen de profiter pleinement du meilleur atout du qubit moléculaire: son accordabilité.
« Dans d'autres types de qubit, comme Diamond, par exemple, il existe des possibilités limitées de modifications, alors qu'avec des molécules, vous pouvez faire beaucoup de choses. Vous pouvez régler des propriétés à l'application dont vous avez besoin », a déclaré Diego Sorbelli, professeur adjoint à l'Université de Pérugie en Italie et ancien chercheur postdoctoral à l'Université de Chicago.
« C'est un peu comme utiliser des blocs LEGO: déterminez quels blocs vont ensemble, puis obtenez le produit final avec des propriétés que vous souhaitez », a déclaré Toriyama.
Collaboration qubit
Comment réglez-vous le ZFS d'un qubit moléculaire? L'équipe de Galli a mis en évidence deux cadrans importants pour définir le ZFS juste là où il est nécessaire: la géométrie du cristal entourant le centre de chrome et les champs électriques qui découlent du maquillage chimique du cristal.
Le travail de l'équipe est le premier non seulement à fournir une méthode de calcul pour prédire avec précision ZFS dans les qubits moléculaires du chrome, mais également le premier à identifier que les ZF peuvent être contrôlés en manipulant les champs électriques de l'hôte Crystal.
« Nous donnons de nouvelles règles de conception pour modifier la composition de l'environnement pour manipuler activement ces structures de spin, que nous pouvons prédire avec précision », a déclaré Lorenzo Baldinelli, premier auteur du journal, un étudiant diplômé de l'Université de Pérugia, et un ancien étudiant diplômé invité à l'Université de Chicago.
« Alors maintenant, en utilisant notre protocole, nous pouvons tenir compte non seulement des propriétés électroniques et de spin du qubit, mais aussi de son environnement. »
Ce n'était pas facile à faire.
« Ces propriétés sont extrêmement compliquées à prévoir du premier principe », a déclaré Sorbelli.
Mais la forte collaboration interdisciplinaire au sein du groupe de Galli – chimistes, scientifiques des matériaux et physiciens – a fait preuve des cadrans les plus importants de la chimie complexe du chrome Qubit.
« Je me souviens que cela me dérangeait. Comment prédions-nous le fractionnement zéro-champ? Quels sont les ingrédients dont nous avons besoin pour être en mesure de le faire? Pouvons-nous faire cela? J'étais très têtu à ce sujet. Et puis Lorenzo est venu, et nous nous sommes finalement associés à Michael.
« Pas trop de groupes sont équipés pour calculer les propriétés de cohérence des qubits. Nous avons exploité les outils que notre groupe a développés au cours des années et des années de recherche », a déclaré Toriyama.
« Cela témoignait vraiment de la réussite des collaborations et de la polyvalence de notre groupe. »
