Dans un nouvel article dans PNAS , "Triplet-Pair Spin Signatures From Macroscopically Aligned Heteroacenes in an Oriented Single Crystal", les chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) Brandon Rugg, Brian Fluegel, Christopher Chang et Justin Johnson s'attaquent à l'un des problèmes fondamentaux de la science de l'information quantique :comment pour produire des éléments purs d'information quantique - c'est-à-dire ceux qui commencent et restent dans un "état de spin" bien défini - à des températures pratiques.

La science de l'information quantique a le potentiel de révolutionner le calcul, la détection et les communications. Mais bon nombre de ces applications sont encore hors de portée en raison des défis liés à la production d'unités d'information quantique, ou qubits, sans compter sur des températures extrêmement basses pour maintenir leur pureté. Les approches actuelles pour identifier les matériaux quantiques appropriés ont tendance à s'appuyer sur des essais et des erreurs.

"Le domaine du développement de nouvelles molécules et de nouveaux matériaux [pour la science de l'information quantique] progresse parfois grâce à des méthodes ad hoc et à un hasard. "Ce matériau fonctionne mieux que l'autre", nous avons vu beaucoup de choses se produire et avons finalement décidé que cela n'allait pas suffire pour un projet dont le but était de limiter l'ensemble des options possibles », a déclaré Justin Johnson, chercheur au Centre de chimie et de nanosciences du NREL. "Nous voulions que la théorie nous fournisse des directives fermes sur ce qui devrait arriver."

En conséquence, l'équipe a recruté des théoriciens de l'Université du Colorado à Boulder et a adopté une approche ascendante. Au lieu de mener une recherche combinatoire de matériaux quantiques candidats, ils ont travaillé à la conception et à la synthèse de molécules apparentées à celles qu'ils avaient étudiées pour le photovoltaïque, mais avec les propriétés souhaitées pour servir de candidats qubits. Lorsqu'elles sont excitées par la lumière, une paire de molécules peut produire des spins alignés qui pourraient représenter un qubit à longue durée de vie à température ambiante. Cependant, sans un niveau d'assemblage supplémentaire, "l'état" du système d'ensemble sera impur.

"[Dans certains matériaux quantiques], les qubits basés sur le spin sont plus ou moins situés et/ou orientés au hasard dans le matériau, et il est difficile de les organiser", a déclaré Johnson. "Les molécules, en revanche, offrent une plate-forme naturelle pour l'orientation macroscopique d'un ensemble de spins. Si vous concevez la molécule que vous voulez, alors lorsque ces molécules se cristallisent, elles s'organisent naturellement en assemblages dans lesquels les molécules sont alignées. C'est ce qui définit notre travail. en dehors des autres groupes."

Brandon Rugg, chercheur postdoctoral dans le groupe de Johnson et auteur principal de l'article, a passé plus de deux ans à cribler des matériaux quantiques candidats et à affiner les propriétés de leurs molécules constitutives.

"Lors de la sélection des matériaux, nous avons dû équilibrer de nombreux facteurs", a déclaré Rugg. "Il est très difficile de contrôler les molécules et leur positionnement. Mais, en partenariat avec nos collaborateurs, nous avons pu obtenir un matériau où toutes les molécules étaient complètement alignées."

L'équipe a travaillé avec des collaborateurs de l'Université du Kentucky, qui leur ont envoyé des dizaines de matériaux candidats avec des structures cristallines résolues. Ensuite, Rugg a réduit ces matériaux à cinq ou six candidats prometteurs.

L'équipe a sélectionné un nouveau composé de tétracènethiophène appelé TES TIPS-TT, qui a une structure cristalline dans laquelle toutes les molécules partagent un axe commun. Ensuite, ils ont utilisé la spectroscopie de résonance paramagnétique résolue en temps pour caractériser l'état de spin des électrons dans le matériau.

"Le niveau de contrôle de l'orientation que nous avons atteint [avec ce matériau] est assez difficile à faire, et peu de gens le font", a déclaré Rugg. "En fin de compte, ce niveau de contrôle pourrait conduire à la génération d'états quantiques purs qui sont purement intriqués, ce qui a de larges applications potentielles."

Parmi ces applications, l'informatique quantique sera essentielle aux efforts d'énergie renouvelable. Bien que l'informatique quantique soit souvent vantée pour son rôle potentiel dans la cryptographie, les appels à propositions du ministère de l'Énergie en science de l'information quantique au cours des dernières années ont incité les chercheurs du NREL à se demander comment ces technologies pourraient avoir un impact sur le paysage énergétique.

"L'une des réponses est que l'informatique quantique nous permet de résoudre des problèmes complexes liés à l'énergie de manière beaucoup plus efficace - pas tous les problèmes, mais certains problèmes cruciaux et complexes. Si nous continuons simplement à augmenter la puissance de calcul conventionnelle sans développer de nouvelles approches pour résoudre ces problèmes, cela deviendra insoutenable. S'il s'avère évolutif et non énergivore, l'informatique quantique est un type d'informatique non conventionnelle qui aidera à résoudre ce problème."

L'intérêt initial du ministère de l'Énergie pour le sujet a contribué à susciter des efforts continus au NREL, qui donnent maintenant des résultats passionnants.

"Il s'agit d'un projet à long terme et d'une partie d'un effort plus important au NREL que nous avons lancé il y a trois ans et demi, et c'est le premier du genre en science de l'information quantique ici au NREL", a déclaré Johnson. "Nous partions vraiment de zéro, c'est donc une étape majeure de pouvoir publier cet article." + Explorer plus loin

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