Истраживачи су открили да златни „суператоми“ могу да се понашају као атоми у најсавременијим квантним системима – али на далеко лакши начин за скалирање (проширење).
Ове мале кластере је могуће прилагодити на молекулском нивоу, што нуди снажну и подесиву основу за следећу генерацију квантних уређаја.
Златни кластери као скалабилни квантни блокови
Квантни рачунари, сензори и друге напредне технологије у великој мери зависе од понашања електрона, посебно од начина на који се они врте – тзв. спин електрона. Један од најпрецизнијих приступа за високоперформантне квантне системе користи спин електрона у атомима који се држе у гасовитом стању.
Ови гасовити системи пружају изузетну тачност, али је веома тешко проширити их у веће квантне уређаје, укључујући комплетне квантне рачунаре.
Истраживачки тим са Универзитета Пен Стате и Универзитета Колорадо сада је показао да златни кластер може имитирати понашање ових атома у гасовитом стању, омогућавајући приступ сличним спин својствима у формату који се много лакше скалира.
„Први пут показујемо да златни нанокластери имају иста кључна спин својства као и садашње најсавременије методе за квантне информационе системе“, рекао је Кен Кнаппенбергер, шеф катедре за хемију на Пен Стејту и лидер истраживачког тима.
„Узбудљиво је што можемо и манипулисати важним својством званим спин поларизација у овим кластерима, што је обично фиксно у материјалу. Ови кластери се могу лако синтетизовати у релативно великим количинама, што овај рад чини обећавајућим доказом концепта да златни кластери могу подржати разне квантне примене.“
Ово истраживање, описано у два рада објављена у часописима ACS Central Science и The Journal of Physical Chemistry Letters, детаљно потврђује спин понашање златних кластера.
Како спин електрона обликује квантне перформансе
„Спин електрона утиче не само на важне хемијске реакције, већ и на квантне примене попут рачунања и сензинга“, рекао је Нејт Смит, дипломац хемије на Пен Стејту и први аутор једног од радова. „Смер у којој електрон врти и његова усаглашеност са другим електронима у систему може директно утицати на тачност и дуговечност квантних информационих система.“
Електрон се врти око своје осе на сличан начин као што Земља врти око своје осе, која је нагнута у односу на Сунце. Међутим, електрони се могу врти у смеру казаљке на сату или супротно од њега. Када многи електрони у материјалу врте у истом смеру и њихова нагнућа се поклапају, постају корелирани. Материјал са високим степеном ове усаглашености има високу спин поларизацију.
„Материјали са високо корелираним електронима, са високим степеном спин поларизације, могу одржати ову корелацију дуже време и, самим тим, остати прецизни дуже“, додао је Смит.
Ограничења заробљених јона и потреба за новим решењима
Најнапреднија метода за постизање изузетно ниских стопа грешака у квантним информационим системима користи заробљене атомске јоне, који су атоми са електричним набојем у гасовитом окружењу.
У овим системима електрони могу бити узбудљени у Ридбергове стања, која пружају дуготрајне и прецизно дефинисане спин поларизације. Ови системи такође омогућавају електронима да буду у суперпозицији, што значи да могу истовремено заузимати више стања док се не измере. Суперпозиција је основа квантног рачунања.
„Ови заробљени гасовити јони су по природи разређени, што их чини веома тешким за скалирање“, рекао је Кнаппенбергер. „Кондензована фаза потребна за чврсти материјал, по дефиницији, пакује атоме близу један другог, губећи ту разређеност.
Дакле, скалирање обезбеђује све праве електронске састојке, али системи постају веома осетљиви на спољну средину. Средина практично збркава све информације које сте унели у систем, па стопа грешака постаје веома висока. У овој студији смо открили да златни кластери могу имитирати све најбоље особине заробљених гасовитих јона уз предност скалабилности.“
Златни нанокластери и њихов квантни потенцијал
Златне наноструктуре дуго се проучавају за примену у оптици, сензорима, терапијама и катализи, али њихова магнетна и спин-повезана понашања су добијала знатно мање пажње. У новом истраживању тим се фокусирао на кластере заштићене једнослојним молекулима. Они се састоје од златне језгре окружене молекулима званим лиганди. Структуру ових кластера може се прецизно прилагодити и могу се произвести у релативно великим количинама.
„Ови кластери се називају суператоми, јер њихов електронски карактер подсећа на атом, а сада знамо да су њихова спин својства такође слична“, рекао је Смит. „Идентификовали смо 19 разликовних и јединствених Ридбергових стања са спин поларизацијом која имитирају суперпозиције које можемо постићи у разређеним јонима у гасовитој фази. Ово значи да кластери имају кључна својства потребна за спин-базиране операције.“
Подешавање спин поларизације хемијским дизајном
Научници су мерили спин поларизацију у златним кластерима користећи приступ сличан техникама за појединачне атоме. Један тип кластера показао је 7% спин поларизације, док је други кластер са другим лигандом достигао скоро 40%. Кнаппенбергер је напоменуо да је ова виша вредност упоредива са неким водећим двумерним квантним материјалима.
„Ово нам показује да су спин својства електрона тесно повезана са вибрацијама лиганда“, рекао је Кнаппенбергер. „Традиционално, квантни материјали имају фиксну вредност спин поларизације која се не може значајно мењати, али наши резултати указују да можемо мењати лиганде ових златних кластера како бисмо широко подесили ово својство.“
Планови за будућност
Тим сада планира да испита како измена специфичних карактеристика лиганда утиче на спин поларизацију и како се ове промене могу користити за фино подешавање квантног понашања.
„Квантно поље је генерално доминирано од стране истраживача из физике и материјалних наука, а овде видимо могућност да хемичари користе своје синтетичке вештине за дизајн материјала са подесивим резултатима“, рекао је Кнаппенбергер. „Ово је нова граница у науци о квантним информацијама.“
