研究人员利用密度泛函理论计算，鉴定并合成了一种新的用于量子存储器的铕化合物Cs2NaEuF6。这一发现标志着在寻找能够存储和传输量子信息的材料方面取得了重大进展，像铕这样的稀土元素由于其独特的原子结构和长寿命的电子激发态而表现出特别的希望。来源:SciTechDaily.com

　　一种开创性的铕钡sed化合物Cs2NaEuF6革命?Nize量子存储，为量子计算材料的研究指明了一个有前途的方向。

　　在开发量子计算机和网络的过程中，有许多组件与目前使用的组件有根本不同。就像现代计算机一样，这些组件中的每一个都有不同的限制。然而，目前还不清楚什么材料可以用来构建这些组件来传输和存储量子信息。

　　新量子记忆材料的发现

　　在《美国化学学会杂志》上发表的一项新研究中，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校材料科学与工程教授Daniel Shoemaker和研究生Zachary Riedel使用密度泛函数理论(DFT)计算确定了可能作为新量子存储平台的铕(Eu)化合物。他们还合成了一种预测中的化合物，这是一种全新的、空气稳定的材料，是量子存储器的有力候选者，量子存储器是一种存储光子或其他纠缠粒子的量子态而不破坏该粒子所持有信息的系统。

　　“我们正在努力解决的问题是找到一种可以长时间存储量子信息的材料。一种方法是使用稀土金属离子，”舒梅克说。

　　本研究合成了Cs2NaEuF6的双钙钛矿晶体结构。资料来源:伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院

　　量子信息中的稀土元素

　　稀土元素，如铕，位于元素周期表的最底层，由于其独特的原子结构，在量子信息设备中显示出了应用前景。具体来说，稀土离子有许多电子密集地聚集在原子核附近。这些电子从静止状态激发出来，可以“活”很长时间——几秒钟甚至几个小时，这在计算机世界里是永恒的。这种长寿命态对于避免量子信息的丢失和将稀土离子定位为量子比特(量子信息的基本单位)的有力候选者至关重要。

　　量子材料工程中的挑战和解决方案

　　“通常在材料工程中，你可以去数据库，找到已知的材料应该适用于特定的应用，”舒梅克解释说。“例如，人们已经工作了200多年，为不同的车辆找到合适的轻质、高强度材料。但在量子信息领域，我们只研究了一二十年，所以材料的数量实际上非常少，你很快就会发现自己处于未知的化学领域。”

　　舒梅克和里德尔在寻找可能的新材料时制定了一些规则。首先，他们想使用离子结构Eu3+(而不是另一种可能的结构Eu2+)，因为它在正确的光学波长下工作。为了“书写”光学，材料应该是透明的。其次，他们想要一种由只有一种稳定同位素的其他元素组成的材料。拥有一种以上同位素的元素会产生不同核质量的混合物，这些核质量的振动频率略有不同，从而打乱了存储的信息。第三，他们希望单个铕离子之间有较大的分离，以限制意外的相互作用。如果没有分离，巨大的铕电子云就会像森林里的树叶树冠一样，而不是郊区社区中间距良好的树木，在那里，一棵树上的树叶沙沙作响会轻轻地与另一棵树上的树叶相互作用。

　　量子材料合成的创新

　　有了这些规则，里德尔组成了一个DFT计算筛选来预测哪些材料可以形成。在筛选之后，Riedel确定了新的Eu候选化合物，并进一步合成了列表中排名第一的双钙钛矿卤化物Cs2NaEuF6。这种新化合物是空气稳定的，这意味着它可以与其他组件集成，这是可扩展量子计算的关键特性。DFT计算还预测了其他几种尚未合成的可能化合物。

　　舒梅克说:“我们已经证明，还有很多未知的材料有待制造，它们是量子信息存储的良好候选者。”“我们已经证明，我们可以有效地制造它们，并预测哪些是稳定的。”

　　参考文献:Zachary W. Riedel和Daniel P. Shoemaker的“设计规则，精确的焓预测，以及化学计量Eu3+量子存储器候选物的合成”，2024年1月12日，美国化学学会杂志。DOI: 10.1021 / jacs.3c11615

　　丹尼尔·休梅克也是伊利诺伊大学洛杉矶分校材料研究实验室(MRL)和伊利诺伊量子信息科学与技术中心(IQUIST)的成员。

　　Zachary Riedel目前是洛斯阿拉莫斯国家实验室的博士后研究员。

　　这项研究得到了美国能源部、科学办公室、国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的支持。国家科学基金会通过伊利诺伊大学材料研究科学与工程中心支持设备和仪器的使用。