Istraživači su otkrili da zlatni „superatomi“ mogu da se ponašaju kao atomi u najsavremenijim kvantnim sistemima – ali na daleko lakši način za skaliranje (proširenje).
Ove male klastere je moguće prilagoditi na molekulskom nivou, što nudi snažnu i podesivu osnovu za sledeću generaciju kvantnih uređaja.
Zlatni klasteri kao skalabilni kvantni blokovi
Kvantni računari, senzori i druge napredne tehnologije u velikoj meri zavise od ponašanja elektrona, posebno od načina na koji se oni vrte – tzv. spin elektrona. Jedan od najpreciznijih pristupa za visokoperformantne kvantne sisteme koristi spin elektrona u atomima koji se drže u gasovitom stanju.
Ovi gasoviti sistemi pružaju izuzetnu tačnost, ali je veoma teško proširiti ih u veće kvantne uređaje, uključujući kompletne kvantne računare.
Istraživački tim sa Univerziteta Pen State i Univerziteta Kolorado sada je pokazao da zlatni klaster može imitirati ponašanje ovih atoma u gasovitom stanju, omogućavajući pristup sličnim spin svojstvima u formatu koji se mnogo lakše skalira.
„Prvi put pokazujemo da zlatni nanoklasteri imaju ista ključna spin svojstva kao i sadašnje najsavremenije metode za kvantne informacione sisteme“, rekao je Ken Knappenberger, šef katedre za hemiju na Pen Stejtu i lider istraživačkog tima.
„Uzbudljivo je što možemo i manipulisati važnim svojstvom zvanim spin polarizacija u ovim klasterima, što je obično fiksno u materijalu. Ovi klasteri se mogu lako sintetizovati u relativno velikim količinama, što ovaj rad čini obećavajućim dokazom koncepta da zlatni klasteri mogu podržati razne kvantne primene.“
Ovo istraživanje, opisano u dva rada objavljena u časopisima ACS Central Science i The Journal of Physical Chemistry Letters, detaljno potvrđuje spin ponašanje zlatnih klastera.
Kako spin elektrona oblikuje kvantne performanse
„Spin elektrona utiče ne samo na važne hemijske reakcije, već i na kvantne primene poput računanja i senzinga“, rekao je Nejt Smit, diplomac hemije na Pen Stejtu i prvi autor jednog od radova. „Smer u kojoj elektron vrti i njegova usaglašenost sa drugim elektronima u sistemu može direktno uticati na tačnost i dugovečnost kvantnih informacionih sistema.“
Elektron se vrti oko svoje ose na sličan način kao što Zemlja vrti oko svoje ose, koja je nagnuta u odnosu na Sunce. Međutim, elektroni se mogu vrti u smeru kazaljke na satu ili suprotno od njega. Kada mnogi elektroni u materijalu vrte u istom smeru i njihova nagnuća se poklapaju, postaju korelirani. Materijal sa visokim stepenom ove usaglašenosti ima visoku spin polarizaciju.
„Materijali sa visoko koreliranim elektronima, sa visokim stepenom spin polarizacije, mogu održati ovu korelaciju duže vreme i, samim tim, ostati precizni duže“, dodao je Smit.
Ograničenja zarobljenih jona i potreba za novim rešenjima
Najnaprednija metoda za postizanje izuzetno niskih stopa grešaka u kvantnim informacionim sistemima koristi zarobljene atomske jone, koji su atomi sa električnim nabojem u gasovitom okruženju.
U ovim sistemima elektroni mogu biti uzbudljeni u Ridbergove stanja, koja pružaju dugotrajne i precizno definisane spin polarizacije. Ovi sistemi takođe omogućavaju elektronima da budu u superpoziciji, što znači da mogu istovremeno zauzimati više stanja dok se ne izmere. Superpozicija je osnova kvantnog računanja.
„Ovi zarobljeni gasoviti joni su po prirodi razređeni, što ih čini veoma teškim za skaliranje“, rekao je Knappenberger. „Kondenzovana faza potrebna za čvrsti materijal, po definiciji, pakuje atome blizu jedan drugog, gubeći tu razređenost.
Dakle, skaliranje obezbeđuje sve prave elektronske sastojke, ali sistemi postaju veoma osetljivi na spoljnu sredinu. Sredina praktično zbrkava sve informacije koje ste uneli u sistem, pa stopa grešaka postaje veoma visoka. U ovoj studiji smo otkrili da zlatni klasteri mogu imitirati sve najbolje osobine zarobljenih gasovitih jona uz prednost skalabilnosti.“
Zlatni nanoklasteri i njihov kvantni potencijal
Zlatne nanostrukture dugo se proučavaju za primenu u optici, senzorima, terapijama i katalizi, ali njihova magnetna i spin-povezana ponašanja su dobijala znatno manje pažnje. U novom istraživanju tim se fokusirao na klastere zaštićene jednoslojnim molekulima. Oni se sastoje od zlatne jezgre okružene molekulima zvanim ligandi. Strukturu ovih klastera može se precizno prilagoditi i mogu se proizvesti u relativno velikim količinama.
„Ovi klasteri se nazivaju superatomi, jer njihov elektronski karakter podseća na atom, a sada znamo da su njihova spin svojstva takođe slična“, rekao je Smit. „Identifikovali smo 19 razlikovnih i jedinstvenih Ridbergovih stanja sa spin polarizacijom koja imitiraju superpozicije koje možemo postići u razređenim jonima u gasovitoj fazi. Ovo znači da klasteri imaju ključna svojstva potrebna za spin-bazirane operacije.“
Podešavanje spin polarizacije hemijskim dizajnom
Naučnici su merili spin polarizaciju u zlatnim klasterima koristeći pristup sličan tehnikama za pojedinačne atome. Jedan tip klastera pokazao je 7% spin polarizacije, dok je drugi klaster sa drugim ligandom dostigao skoro 40%. Knappenberger je napomenuo da je ova viša vrednost uporediva sa nekim vodećim dvumernim kvantnim materijalima.
„Ovo nam pokazuje da su spin svojstva elektrona tesno povezana sa vibracijama liganda“, rekao je Knappenberger. „Tradicionalno, kvantni materijali imaju fiksnu vrednost spin polarizacije koja se ne može značajno menjati, ali naši rezultati ukazuju da možemo menjati ligande ovih zlatnih klastera kako bismo široko podesili ovo svojstvo.“
Planovi za budućnost
Tim sada planira da ispita kako izmena specifičnih karakteristika liganda utiče na spin polarizaciju i kako se ove promene mogu koristiti za fino podešavanje kvantnog ponašanja.
„Kvantno polje je generalno dominirano od strane istraživača iz fizike i materijalnih nauka, a ovde vidimo mogućnost da hemičari koriste svoje sintetičke veštine za dizajn materijala sa podesivim rezultatima“, rekao je Knappenberger. „Ovo je nova granica u nauci o kvantnim informacijama.“
