A kvantumtudomány segít a kutatóknak jobban megérteni a természeti világot, és a kvantumjelenségeket a társadalom javára hasznosítani. Átalakítják az egészségügyet, a közlekedést és a kommunikációt, és fokozzák a kiberfenyegetések és az éghajlati katasztrófák elleni ellenálló képességet. Például a kvantummágneses térérzékelők lehetővé teszik a funkcionális agyi képalkotást; a kvantumoptikai kommunikáció lehetővé teszi a titkosított kommunikációt; a kvantumszámítógépek pedig megkönnyítik a fotovoltaikus és gyógyszerek következő generációs anyagainak felfedezését.
Jelenleg ezek a technológiák költséges és bonyolult előállítású alapanyagokra támaszkodnak, és működtetésükhöz gyakran költséges és terjedelmes kriogén hűtés szükséges. Az ilyen berendezések értékes gázokra, például folyékony héliumra támaszkodnak, amelynek előállítása, a globális kínálat fogyásával egyre költségesebb. 2023-ban várhatóan forradalom következik be a kvantumanyagok innovációiban, amely átalakítja a kvantumtechnológiákat. A környezeti igények csökkentése mellett ezek az anyagok lehetővé teszik a szobahőmérsékletű működést, ezzel egy jelentős energiamegtakarítást érhetnek el. Kvantumtulajdonságaik optimalizálására manipulálhatják a kémiai szerkezetet és a molekuláris felépítést.
A közelmúltban az Egyesült Királyság Mérnöki és Fizikai Tudományok Kutatási Tanácsa bejelentette a kvantumtechnológiákhoz szükséges anyagokkal kapcsolatos innovációs vízióját, a Londoni Imperial College és a Manchesteri Egyetem vezetésével. A Londoni Nanotechnológiai Központ – az Imperial, a King’s és a University College London kutatóinak együttműködő csoportja – jelentős szakértelemmel rendelkezik a kvantumrendszerek szimulációjában és jellemzésében. Az Egyesült Királyság mérési otthona – a National Physical Laboratory – éppen most nyitotta meg a Quantum Metrology Institute-ot, egy a kvantumtechnológiák jellemzésére, validálására és kereskedelmi forgalom létrehozatalára szánt több millió font értékű létesítményt. Ez új korszakot nyithat meg a gyógyszerek, a kriptográfia és a kiberbiztonság területén.
A szupravezető qubitek, a qubit-technológia jelenlegi csúcsa, Josephson-csomópontokat tartalmaznak (egyirányú szuprevezetők), amelyek szuperalacsony hőmérsékleten (–273 Celsius-fok) szupravezetőként működnek (olyan anyagok, amelyek nulla ellenállással képesek vezetni az elektromosságot). A szigorú hőmérsékleti és nagyfrekvenciás működési követelmények azt jelentik, hogy ezeknek a szupravezető qubiteknek – a dielektrikumnak – még a legalapvetőbb aspektusait is nehéz megtervezni. Jelenleg a qubitek közé olyan anyagok tartoznak, mint a szilícium-nitrid és a szilícium-oxid, amelyeknek annyi hibája van, hogy maguknak a qubiteknek milliméter méretűnek kell lenniük az elektromos térenergia tárolásához és a szomszédos qubitek közötti áthallás jelentős zajt okoz. Ezekkel az anyagokkal lehetetlen lenne elérni a gyakorlati kvantumszámítógéphez szükséges több millió qubitet.
2023-ban több innováció várható a kvantumtechnológiákhoz szükséges anyagok tervezésében. Az eddig bemutatott, sok fantasztikus jelölt közül (pl. nitrogén-üres hibás gyémántok, van der Waals/2D-anyagok és magas hőmérsékletű szupravezetők) leginkább a molekuláris anyagok használata izgat. Ezeket az anyagokat szénalapú szerves félvezetők köré tervezték, amelyek a fogyasztói elektronika méretezhető gyártásához használt anyagok bevált osztályát képezik (amivel forradalmasították a több milliárd dolláros OLED-kijelzőipart). A kémia segítségével pedig szabályozhatjuk optikai- és elektronikus tulajdonságaikat.
Például a királis molekuláris anyagok – olyan molekulák, amelyek nem egymásra helyezhető tükörképek párjaként léteznek, mint a két kezünk – forradalmasítani fogják a kvantumtechnológiákat. Ezeknek a rendkívül sokoldalú molekuláknak vékony, rétegei felhasználhatók az elektronok szobahőmérsékletű spinjének szabályozására. Ugyanakkor a fém-ftalocianinok hosszú spin-koherencia ideje és jó termikus és kémiai stabilitása miatt kvantuminformáció átvitelére is használhatók.
