Neue Materialien herbringen die nächste Generation von Quantencomputern

Technologien ermöglicht durch Die Quantenwissenschaft wird Forschern helfen, die natürliche Welt besser zu verstehen und Quantenphänomene zum Sinnhaftigkeit jener Interessenverband nutzbar zu zeugen. Sie werden dies Gesundheitswesen, den Vorschub und die Kommunikation verändern und die Widerstandsfähigkeit im Gegensatz zu Cyber-Bedrohungen und Klimakatastrophen verbessern. Z. B. werden Quantenmagnetfeldsensoren eine funktionelle Bildgebung des Gehirns zuteil werden lassen; Quantenoptische Kommunikation wird verschlüsselte Kommunikation zuteil werden lassen; und Quantencomputer werden die Kenntniserlangung von Materialien jener nächsten Generation zu Gunsten von Photovoltaik und Medizin vereinfachen.

Zeitgenössisch beruhen sie Technologien hinaus Materialien, die teuer und kompliziert herzustellen sind, und sie erfordern vielerorts eine teure und sperrige kryogene Kühlung, um zu gehen. Solche Geräte sind hinaus kostbare Rohstoffe wie flüssiges Heliumgas angewiesen, dies dank des weltweit schwindenden Angebots immer teurer wird. 2023 wird es eine Revolution c/o Innovationen c/o Materialien zu Gunsten von Quanten spendieren, die die Quantentechnologien verändern werden. Neben jener Verringerung jener Umweltanforderungen zuteil werden lassen sie Materialien vereinen Werk c/o Raumtemperatur und Energieeinsparungen, sind kostengünstig und nach sich ziehen einfache Verarbeitungsanforderungen. Um ihre Quanteneigenschaften zu optimieren, können Forschungslabore die chemische Struktur und molekulare Packung zudecken. Die gute Nachricht ist, dass Physiker und Ingenieure fleißig waren und 2023 sie Materialien aus den Wissenschaftslabors in die reale Welt gelangen werden.

Kürzlich kündigte jener UK Engineering and Physical Sciences Research Council unter jener Pipeline des Imperial College London und jener University of Manchester eine Vision zu Gunsten von Innovationen c/o Materialien zu Gunsten von Quantentechnologien an. Dasjenige London Centre for Nanotechnology – ein Zusammenschluss von Hunderten von Forschern des Imperial, King’s und University College London – verfügt oberhalb beträchtliche Erleben in jener Vorspielung und Charakterisierung von Quantensystemen. Dasjenige britische Zentrum zu Gunsten von Messtechnik – dies Patriotisch Physical Laboratory – hat ohne Rest durch zwei teilbar dies Quantum Metrology Institute eröffnet, eine mehrere Mio. Pfund schwere Organisation, die sich jener Charakterisierung, Validierung und Vermarktung von Quantentechnologien widmet. Verbinden werden Forscher und Industrie eine neue Weltalter in jener Pharmazie, Kryptographie und Cybersicherheit einläuten.

Qubits, die Bausteine ​​von Quantencomputern, beruhen hinaus Materialien mit quantenmechanischen Eigenschaften wie Elektronenspin, die manipuliert werden können. Wenn wir sie Eigenschaften nutzen können, können wir sie mit Licht und Magnetfeldern steuern und Quantenphänomene wie Verschränkung und Beeinflussung erzeugen. Supraleitende Qubits, jener aktuelle Stand jener Technologie in jener Qubit-Technologie, zusammenfassen Josephson-Kontakte, die c/o extrem niedrigen Temperaturen (–273 °Kohlenstoff) qua Supraleiter (Materialien, die Strom ohne Widerstand leiten können) fungieren. Die strengen Temperatur- und Hochfrequenzanforderungen bedeuten, dass selbst die grundlegendsten Aspekte dieser supraleitenden Qubits – die Dielektrika – schwierig zu errechnen sind. Derzeit zusammenfassen Qubits Materialien wie Siliziumnitrid und Siliziumoxid, die so viele Defekte aufzeigen, dass die Qubits selbst millimetergroß sein sollen, um elektrische Feldenergie zu speichern, und dies Nebensprechen zwischen benachbarten Qubits erhebliches Rauschen einführt. Mit diesen Materialien wäre es unmöglich, die Mio. von Qubits zu glücken, die zu Gunsten von vereinen praktischen Quantencomputer erforderlich sind.

2023 wird es mehr Innovationen beim Konzept von Materialien zu Gunsten von Quantentechnologien spendieren. Von den vielen großartigen Kandidaten, die bisher in Betracht gezogen wurden (z. B. Diamanten mit Stickstoffleerstellendefekten, Van-der-Waals-/2D-Materialien und Hochtemperatur-Supraleiter), freue ich mich am meisten oberhalb die Verwendung von molekularen Materialien. Solche Materialien basieren hinaus kohlenstoffbasierten organischen Halbleitern, die eine etablierte Materialklasse zu Gunsten von die skalierbare Herstellung von Unterhaltungselektronik darstellen (und die milliardenschwere OLED-Display-Industrie revolutioniert nach sich ziehen). Wir können ihre optischen und elektronischen Eigenschaften mithilfe jener Chemie steuern, und die Unterbau rund um ihre Entwicklungsprozess stützt sich hinaus etabliertes Fachwissen.

Z. B. werden chirale molekulare Materialien – Moleküle, die qua Paar nicht überlagerbarer Spiegelbilder leben – die Quantentechnologien revolutionieren. Dünne, einhändige Schichten dieser bemerkenswert vielseitigen Moleküle können verwendet werden, um den Spin von Elektronen c/o Raumtemperatur zu steuern. Taktgesteuert werden die langen Spin-Kohärenzzeiten und die gute thermische und chemische Stabilität von Metallphthalocyaninen dazu münden, dass sie zum Vorschub von Quanteninformationen verwendet werden.

Während 2023 zweifellos bombastische Schlagzeilen oberhalb die Arbeitsgeschwindigkeit von Quantencomputern zeugen wird, werden Materialwissenschaftler die nächste Generation kostengünstiger, hocheffizienter und nachhaltiger Quantentechnologien untersuchen, erspähen und errechnen.