Квантова поведінка – це дивна, крихка річ, яка балансує на межі реальності, між світом можливостей і Всесвітом абсолютів. У цьому математичному тумані криється потенціал квантових обчислень; обіцянка пристроїв, які могли б швидко розв’язувати алгоритми, на обробку яких класичні комп’ютери витрачали б надто багато часу.
Поки що квантові комп’ютери обмежені прохолодними приміщеннями, близькими до абсолютного нуля (-273 градуси за Цельсієм), де частинки з меншою ймовірністю випадають зі своїх критичних квантових станів.
Подолання цього температурного бар’єру для розробки матеріалів, які все ще демонструють квантові властивості при кімнатній температурі, вже давно є метою квантових обчислень. Хоча низькі температури допомагають утримати властивості частинок від виходу з їхнього корисного туману можливостей, громіздкість і вартість обладнання обмежує їхній потенціал і можливість масштабування для загального використання.
В одній з останніх спроб команда дослідників з Техаського університету в Ель-Пасо розробила високомагнітний матеріал для квантових обчислень, який зберігає свій магнетизм при кімнатній температурі – і не містить жодних затребуваних рідкоземельних мінералів.
“Я дуже сумнівався в його магнетизмі, але наші результати чітко показують суперпарамагнітну поведінку”, – говорить Ахмед Ель-Генді, старший автор і фізик з Техаського університету в Ель-Пасо.
Суперпарамагнетизм – це керована форма магнетизму, при якій застосування зовнішнього магнітного поля вирівнює магнітні моменти матеріалу і намагнічує його.
Молекулярні магніти, як і матеріал, розроблений Ель-Генді та його колегами, повернулися на перший план як один з варіантів створення кубітів, базової одиниці квантової інформації.
Магніти вже використовуються в наших сучасних комп’ютерах, і вони були на чолі спінтроніки, пристроїв, які використовують напрямок спіну електрона на додаток до його електронного заряду для кодування даних.
Наступними можуть стати квантові комп’ютери, в яких магнітні матеріали дадуть початок спіновим кубітам: парам частинок, таких як електрони, чиї спрямовані спіни пов’язані, хоч і на мить, на квантовому рівні.
Усвідомлюючи попит на рідкоземельні мінерали, що використовуються в батареях, Ель-Генді та його колеги експериментували з сумішшю матеріалів, відомих як аміноферроцен і графен.
Лише тоді, коли дослідники синтезували матеріал у послідовності кроків, а не додавали всі композитні інгредієнти одразу, матеріал проявив свій магнетизм при кімнатній температурі.
Метод послідовного синтезу полягає в тому, що аміноферроцен затискається між двома листами оксиду графену, і утворюється матеріал, у 100 разів більш магнітний, ніж чисте залізо. Подальші експерименти підтвердили, що матеріал зберігає свої магнітні властивості при кімнатній температурі і вище.
“Ці результати відкривають шляхи до створення молекулярних магнітів дальнього порядку при кімнатній температурі та їх потенціал для квантових обчислень і зберігання даних”, – пишуть Ель-Генді та його колеги в опублікованій статті.
Звичайно, буде потрібно більше випробувань цього нового матеріалу, щоб побачити, чи можуть інші групи повторити отримані результати. Але прогрес у цій галузі молекулярних магнітів є обнадійливим і пропонує ще один перспективний варіант створення стабільних кубітів.
У 2019 році Еухеніо Коронадо, матеріалознавець з Університету Валенсії в Іспанії, написав:
“Віхи, досягнуті в розробці молекулярних спінових кубітів з довгим часом квантової когерентності і в реалізації квантових операцій, підвищили очікування щодо використання молекулярних спінових кубітів у квантових обчисленнях”.
Зовсім недавно, у 2021 році, дослідники розробили надтонкий магнітний матеріал товщиною лише в один атом. Мало того, що його магнітну інтенсивність можна точно налаштувати для цілей квантових обчислень, він також працює при кімнатній температурі.
Дослідження було опубліковане в Applied Physics Letters..