Эффективность квантовых компьютеров, датчиков и других приложений часто зависит от свойств электронов, включая их спин. Одна из наиболее точных систем для высокопроизводительных квантовых приложений основана на использовании электронов атомов, захваченных в газе, но эти системы трудно масштабировать для использования в более крупных квантовых устройствах, таких как квантовые компьютеры.
Команда исследователей из Пенсильванского государственного университета и Университета штата Колорадо продемонстрировала, как золотой кластер может имитировать эти газообразные, захваченные атомы, позволяя учёным использовать эти свойства спина в системе, которую можно легко масштабировать.
«Впервые мы показали, что золотые нанокластеры обладают теми же ключевыми свойствами спина, что и современные методы для квантовых информационных систем», — сказал Кен Кнаппенбергер, заведующий кафедрой и профессор химии в Колледже наук Пенсильванского государственного университета и руководитель исследовательской группы.
«Интересно, что мы также можем манипулировать важным свойством, называемым спиновой поляризацией, в этих кластерах, которое обычно фиксировано в материале. Эти кластеры можно легко синтезировать в относительно больших количествах, что делает эту работу многообещающей демонстрацией того, что золотые кластеры могут быть использованы для поддержки различных квантовых приложений», — добавил он.
Основные моменты исследования
- Свойства спина золота: золотые кластеры могут имитировать свойства спина, необходимые для квантовых вычислений, с преимуществом масштабируемости.
- Спиновая поляризация: учёные исследовали монослойные защищённые кластеры, которые имеют ядро из золота и окружены другими молекулами, называемыми лигандами. Они могут точно контролировать конструкцию этих кластеров и синтезировать относительно большие количества за один раз.
- Уникальные состояния: исследователи определили 19 различимых и уникальных спин-поляризованных состояний, подобных Ридбергу, которые имитируют суперпозиции, которые можно было бы сделать в захваченных, газообразных разбавленных ионах. Это означает, что кластеры обладают ключевыми свойствами, необходимыми для выполнения операций на основе спина.
Влияние на квантовые вычисления
Исследователи определили спиновую поляризацию золотых кластеров, используя метод, аналогичный тому, который используется с традиционными атомами. В то время как один тип золотого кластера имел 7% спиновой поляризации, кластер с другим лигандом приближался к 40% спиновой поляризации, что, по словам Кнаппенбергера, конкурентоспособно с некоторыми ведущими двумерными квантовыми материалами.
«Это говорит нам о том, что спиновые свойства электрона тесно связаны с колебаниями лигандов», — сказал Кнаппенбергер. «Традиционно квантовые материалы имеют фиксированное значение спиновой поляризации, которое нельзя значительно изменить, но наши результаты показывают, что мы можем модифицировать лиганд этих золотых кластеров для широкой настройки этого свойства».
Исследовательская группа планирует изучить, как различные структуры внутри лигандов влияют на спиновую поляризацию и как ими можно манипулировать для точной настройки спиновых свойств.
«В квантовой области в основном доминируют исследователи в области физики и материаловедения, и здесь мы видим возможность для химиков использовать наши навыки синтеза для разработки материалов с настраиваемыми результатами», — сказал Кнаппенбергер. «Это новая граница в квантовой информатике».
В исследовательскую группу, помимо Кена Кнаппенбергера и Нейта Смита, входят Джунипер Фоксли, аспирантка по химии в Пенсильванском государственном университете; Патрик Герберт, получивший докторскую степень по химии в Пенсильванском государственном университете в 2019 году; Джейн Кнаппенбергер, исследователь в Колледже наук Пенсильванского государственного университета; а также Маркус Тофанелли и Кристофер Акерсон из Университета штата Колорадо.
Предоставлено: [Пенсильванский государственный университет](https://phys.org/partners/pennsylvania-state-university/)