Quantum computing with molecular magnets

Repollés Rabinad, Ana María
Luis Vitalla, Fernando María (dir.) ; Sesé Monclús, Javier (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2016
(Física de la Materia Condensada)


Abstract: En esta tesis se ha pretendido realizar y testar los componentes básicos necesarios de un futuro ordenador cuántico usando para ello moléculas magnéticas sencillas. Con este fin se ha comprobado que estas moléculas cumplen con los tres ingredientes principales que necesita reunir un buen candidato: qubits bien definidos y diferenciables, coherencia cuántica y la posibilidad de acoplarse a dispositivos. También se ha estudiado, por tanto, si estas moléculas conservan sus propiedades magnéticas, tales como el espín, la anisotropía magnética, la interacción entre distintos iones, etc., cuando se integran en un sensor. El trabajo que aquí se presenta se divide fundamentalmente en tres partes. Desarrollo, mejora y testado de dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID) En esta parte de la tesis se realiza un análisis detallado de varios modelos de dispositivos pertenecientes a nueva generación de susceptómetros SQUID, especialmente diseñados para medir las propiedades magnéticas de muestras de tamaño micrométrico, hasta 30 um de diámetro (capítulo 3). En particular, presentamos un estudio del ruido de estos sensores, teniendo en cuenta las distintas contribuciones extrínsecas al SQUID y provenientes de la electrónica. También se estudia la posibilidad de incluir una etapa amplificadora de bajo ruido, que permita reducir esta contribución. Por otro lado, se ha hecho un cuidadoso análisis sobre el origen de la respuesta magnética de los susceptómetros vacíos, con el fin de llegar a un protocolo común de tratamiento de los datos de susceptibilidad ac obtenidos para distintas muestras. Por último, y con el objetivo de mejorar la sensibilidad de los sensores en la detección de muestras de tamaño nanométrico, en este trabajo se presenta la realización mediante Focused Ion Beam (FIB) de una nanoespira de unos 500 nm de diámetro, en serie con la bobina detectora del SQUID. Esta nanoespira permite mejorar la sensibilidad del dispositivo en esa zona. Para comprobarlo, se incluyen varias medidas con muestras cuyo comportamiento magnético es conocido. Caracterización de cristales de moléculas magnéticas con los que se pueden llevar a cabo puertas lógicas computacionales La segunda parte incluye un estudio de imanes moleculares que contienen uno, dos o tres espines magnéticos débilmente acoplados, con el fin de comprobar que pueden utilizarse para llevar a cabo las operaciones básicas de computación cuántica. Por un lado, se estudian dímeros constituidos por dos iones Ln(III) donde Ln es un lantánido (capítulo 4). Cada uno de los espines que forman el dímero tiene una estructura de niveles tal que los dos niveles de menor energía están fuertemente separados de los niveles superiores, formando, por tanto, sistemas de dos niveles efectivos o qubits. Por otro lado, estos espines están débilmente acoplados entre sí, lo que constituye un sistema de cuatro niveles entrelazados con los que es posible realizar puertas cuánticas de dos qubits, en particular las puertas CNOT y SWAP. En esta tesis se presentan los primeros resultados de realización de estas puertas, en los dímeros de Tb2, Dy2 y ErCe. En cuanto a los trímeros, o imanes moleculares con tres espines magnéticos, en esta tesis se presenta un estudio para el trímero compuesto por dos iones Cu(II) y un ion Er(III) (capítulo 5). En primer lugar se analiza el comportamiento magnético de los dos iones de cobre en el trímero CuLaCu, donde el ion La(III) es diamagnético, y se comprueba que existe un acoplo entre sus espines, permitiendo la realización de puertas de dos qubits, también para este material. Incluyendo la información obtenida para este compuesto, se presenta por último un análisis del comportamiento magnético del trímero CuErCu constatando la existencia de un acoplo muy débil entre los iones cobre (II) y el ion erbio y, por tanto, la posibilidad de realizar puertas cuánticas de tres qubits, como las puertas Fredkin y Toffoli. Estudio de procesos de relajación magnética y deposición de imanes moleculares sobre superficies Esta última parte pretende aunar las dos partes anteriores, depositando las moléculas estudiadas en la parte anterior sobre los dispositivos superconductores del principio mediante la técnica de Dip-Pen Nanolitography (DPN). La intención última es comprobar si estas moléculas mantienen sus propiedades magnéticas al ser sometidas a los efectos de un sustrato sólido ajeno a su estructura cristalina, y comprobar si se trata de sistemas lo suficientemente coherentes como para realizar operaciones cuánticas sin que los estados se degraden demasiado rápido. En primer lugar, en el capítulo 6 se presenta un estudio de los procesos de relajación de estas moléculas en su estado original, atendiendo al origen y las causas de estos procesos. Para ello se ofrecen los resultados en una serie de muestras en las que hay cada vez más niveles accesibles, partiendo de un monómero ErLa con un sólo espín magnético y sin apenas interacciones hiperfinas, hasta llegar al caso de un dímero con dos espines magnéticos y una considerable contribución nuclear, Dy2. Una vez entendidos los procesos de relajación en las muestras cristalinas, se han depositado unas pocas monocapas de estas muestras sobre los SQUID utilizando la técnica DPN, con el fin de comprobar su integridad física (capítulo 7). En particular se describen experimentos para dos muestras diferentes, un imán molecular cuyo comportamiento es bastante conocido, el Mn12, y un dímero de Dy2. En este capítulo se muestran los resultados de las medidas de susceptibilidad ac en comparación con las medidas previas, realizadas sobre microcristales.

Pal. clave: magnetismo ; superconductividad ; química inorgánica

Knowledge area: Física de la materia condensada

Department: Física de la Materia Condensada

Nota: Presentado: 10 02 2016
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Física de la Materia Condensada, 2016

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 Record created 2016-04-05, last modified 2019-02-19


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