量子比特的原子尺度故事在模拟中揭晓

　　

　　芝加哥大学普利兹克分子工程学院的Giulia Galli领导的研究人员报告了一项计算研究，该研究预测了在碳化硅中产生特定自旋缺陷的条件。他们的研究结果发表在《自然通讯》(Nature Communications)的在线版上，代表了确定对量子技术有用的自旋缺陷的制造参数的重要一步。

　　半导体和绝缘体中的电子自旋缺陷是量子信息、传感和通信应用的丰富平台。缺陷是固体中的杂质和/或错位的原子，与这些原子缺陷相关的电子带有自旋。这种量子力学性质可以用来提供一个可控的量子比特，量子比特是量子技术的基本操作单位。

　　然而，这些自旋缺陷的合成，通常是通过植入和退火工艺实验实现的，还没有很好地理解，重要的是，还不能完全优化。在碳化硅中——由于其工业可用性而成为自旋量子比特的有吸引力的宿主材料——迄今为止，不同的实验产生了不同的建议和结果，以产生期望的自旋缺陷。

　　“目前还没有一个明确的策略来按照我们想要的精确规格来设计自旋缺陷的形成，这种能力对推进量子技术非常有利，”Liew家族分子工程和化学教授加利说，他是这篇新论文的通讯作者。“因此，我们开始了漫长的计算之旅，以提出以下问题:我们能否通过进行全面的原子模拟来理解这些缺陷是如何形成的?”

　　加利的团队——包括加利小组的博士后研究员张存智和加州大学戴维斯分校的计算机科学教授弗朗索瓦·吉吉——已经结合了多种计算技术和算法来预测碳化硅中特定自旋缺陷的形成，这种缺陷被称为“空缺”。

　　“真空是通过去除碳化硅固体中靠近的硅原子和碳原子而产生的。我们从以前的实验中知道，这些类型的缺陷是传感应用的有前途的平台。”

　　量子传感可以探测磁场和电场，还可以揭示复杂的化学反应是如何发生的，这是当今技术所无法做到的。“为了解锁固态中的量子传感能力，我们首先需要能够在正确的位置创建正确的自旋缺陷或量子位。”加利说。

　　为了找到预测特定自旋缺陷形成的配方，加利和她的团队结合了几种技术来帮助他们观察当缺陷形成时原子和电荷的运动，这是温度的函数。

　　“通常，当自旋缺陷产生时，其他缺陷也会出现，这些缺陷可能会对自旋缺陷的目标传感能力产生负面干扰，”Gygi说，他是团队量子模拟中使用的第一线分子动力学代码Qbox的主要开发者。“能够充分了解缺陷形成的复杂机制非常重要。”

　　该团队将Qbox代码与中西部计算材料综合中心(MICCoM)开发的其他先进采样技术结合起来，MICCoM是一个总部位于阿贡国家实验室的计算材料科学中心，由能源部资助，Galli和Gygi都是能源部的高级研究员。

　　“我们的综合技术和多次模拟向我们揭示了在碳化硅中可以有效和可控地形成距离自旋缺陷的具体条件，”加利说。“在我们的计算中，我们让基本物理方程告诉我们，当缺陷形成时，晶体结构内部发生了什么。”

　　该团队预计，实验学家将有兴趣使用他们的计算工具来设计碳化硅和其他半导体中的各种自旋缺陷，但警告说，推广他们的工具来预测更广泛的缺陷形成过程和缺陷阵列将需要更多的工作。加利说:“但是我们提供的原理证明是重要的——我们表明，我们可以通过计算确定产生理想自旋缺陷所需的一些条件。”

　　接下来，她的团队将继续扩大他们的计算研究并加快他们的算法。他们还希望扩大调查范围，纳入一系列更现实的情况。“在这里，我们只观察样品的整体形式，但在实验样品中存在表面、应变和宏观缺陷。我们希望在未来的模拟中包括它们的存在，特别是了解表面如何影响自旋缺陷的形成，”加利说。

　　虽然她的团队的进展是基于计算研究，但加利说，他们所有的预测都植根于与实验家的长期合作。“如果没有我们工作的生态系统，没有我们不断与实验家交谈和合作，这一切就不会发生。”

　　这项工作由美国能源部通过MICCoM (https://miccom-center.uchicago.edu/)和Q-NEXT (https://q-next.org/)中心资助。