/nginx/o/2021/03/04/13662113t1h56a3.png)
/nginx/o/2024/08/18/16297245t1h67c2.jpg)
Kaltsiumoksiid on odav ja kriitjas aine, mida tavaliselt kasutatakse tsemendi, krohvi, paberi ja terase tootmisel. Kuid sellel materjalil võib peagi olla veelgi kõrgtehnoloogilisem rakendus.
Kvantbittide hoidmiseks võib sobida väga levinud aine – sellest tehakse ka tsementi
Chicago ülikooli Pritzkeri molekulaartehnika kooli (Pritzker School of Molecular Engineering) teadlased ja nende Rootsi kolleegid on teoreetiliste ja arvutuslike lähenemisviiside abil avastanud, kuidas pisikesed, üksikud vismuti aatomid, mis on lisatud tahkesse kaltsiumoksiidi, võivad toimida kvantbittidena ehk q-bittidena – kvantarvutite ja kvantkommunikatsiooni seadmete põhielementidena. Neid q-bitte kirjeldatakse ajakirjas Nature Communications.
«See süsteem on isegi paremate omadustega, kui me ootasime,» ütles Giulia Galli, Pritzkeri molekulaartehnologia ja keemiaprofessor ning uue töö juhtivautor. «Sellel on uskumatult madal müratase, see suudab informatsiooni hoida pikka aega ja seda ei ole valmistatud keerulisest ja kallist materjalist.»
Kvantbit ehk q-bitt on kvantarvutuse põhiühik, mis kodeerib andmeid. Täna on teadlased välja töötanud mitmesuguseid q-bitte, mis koosnevad sageli pooljuhtmaterjalide pisikestest punktdefektidest (point defects).
Mõningaid selliste defektide omadusi saab kasutada teabe talletamiseks. Kuid paljud olemasolevad q-bitid on uskumatult haprad; nende ümbruses olev elektrooniline või magnetiline müra võib muuta nende omadusi, kustutades kogu kodeeritud teabe.
2022. aastal simuleerisid Jaapani teadlased ja David Awschalomi ning Galli rühmade teadlased koostöös rohkem kui 12 000-e materjali omadusi, et leida uusi potentsiaalseid tahkeid aineid, mis võiksid sisaldada paljulubavaid defekte, mis toimiksid q-bittidena. See töö näitas, et kaltsiumoksiid on üks mitmest materjalist, millel on potentsiaal sisaldada q-bitte, mis kodeerivad teavet väga madala müratasemega ja eriti pikaks ajaks.
«Meie eelmine töö näitas meile, et kui leida õiged defektid, mida selle struktuuri sisse panna, oleks kaltsiumoksiid ideaalne keskkond kvantinformatsiooni talletamiseks,» ütles Nikita Onizhuk, Galli rühma järeldoktor ja üks artikli autoritest. «Nii et meie uus eesmärk oli leida ideaalne defekt.»
Uues artiklis kasutasid Galli ja tema kolleegid viimastel aastatel välja töötatud arvutusmeetodeid, et läbi sõeluda rohkem kui 9 000 erinevat defekti kaltsiumoksiidis nende potentsiaali osas q-bittidena. Tulemused osutasid ühele defektitüübile, kus kaltsiumoksiidi tavalises struktuuris on kaltsiumi ja hapniku vahele lisatud antimooni, vismuti või joodi aatom.
«Me poleks kunagi osanud arvata, et just need defektid osutuvad nii paljulubavaks,» ütles Joel Davidsson Linköpingi ülikoolist, artikli esimene autor ja uue spinn-defektide avastamise meetodi peamine arendaja. «Ainus viis selleks olid põhjalikud ja erapooletud sõelumisprotseduurid.»
Galli meeskond näitas seejärel oma mudelite abil, et vismuti defekt kaltsiumoksiidis võib teoreetiliselt kodeerida andmeid vähese müraga ja suhteliselt pikaks ajaks (mitme sekundi jooksul võrreldes paljude q-bittide millisekundilise koherentsiga). Lisaks on sellel potentsiaal sobituda hästi telekommunikatsiooniseadmetega tänu materjali murdumisnäitajale ja võimele kiirata footoneid.
Galli ja tema koostööpartnerid teevad nüüd koostööd eksperimentaatoritega, kes saavad valmistada selliseid kaltsiumoksiidil põhinevaid materjale ja testida, kas ennustused peavad paika.
«Me oleme alles väga varajases etapis, kuid fundamentaalse teaduse seisukohalt arvame, et see materjal on väga paljutõotav,» ütles Galli.
Materjali ennast veel valmis tehtud pole, kuid arusaadavalt sellega tegeltakse – mis saab olla parim kinnitus heale teooriale, kui selle ennustatud materjal õnnestubki valmistada ja enamgi: sel on ka ennustatud omadused.
Allikas: Phys.org