Оксид магния может стать основой для квантовых технологий

Атомы магния (оранжевые) и кислорода (красные) окружают азотно-вакансионный центр в оксиде магния, показанный прозрачным представлением атома азота под отсутствующим атомом магния. Желтые и синие пятна показывают, как электроны локализуются вокруг вакансии. Автор: Argonne National Laboratory

Оксид магния, широко используемый в промышленности и медицине, может оказаться перспективным материалом для квантовых технологий. Исследование, проведенное Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США и опубликованное в журнале npj Computational Materials, выявило дефект в этом минерале, который может быть полезен для квантовых приложений.

Ученые исследуют возможные строительные блоки, известные как кубиты, для систем, использующих квантовые свойства. Такие системы могут работать в устройствах, превосходящих классические суперкомпьютеры, создавать взломоустойчивые сети или обнаруживать слабейшие сигналы.

Раскрытие потенциала кубитов для квантовых вычислений, сенсорики и коммуникаций требует понимания материалов на атомном уровне.

Кубиты можно создавать из различных материалов и стратегий. Одна из стратегий — «спиновый дефект», где нерегулярность в атомной структуре материала может хранить информацию. Нерегулярность может проявляться в виде отсутствующих атомов или «чужеродных» атомов (также называемых примесями), добавленных в материал.

Карбид кремния и алмаз, среди других материалов, имеют хорошо изученные спиновые дефекты. Например, «азотно-вакансионный центр» в алмазе — это прототипический спиновый дефект, где атом азота (примесь) находится рядом с отсутствующим атомом углерода (вакансией).

Хотя перспективные, карбид кремния и алмаз имеют некоторые недостатки, что побуждает исследовать другие материалы в качестве носителей спиновых дефектов. Более того, идентификация спиновых дефектов в новых материалах может расширить потенциал квантовых приложений.

Оксид магния в квантовой гонке

Помимо широкого спектра применений в строительстве, здравоохранении, очистке сточных вод и других областях, оксид магния широко используется в микроэлектронике. Микроэлектронные устройства питают бесчисленные системы, такие как смартфоны и датчики. В этом исследовании ученые стремились расширить использование оксида магния и изучить его перспективы для квантовых технологий.

При исследовании материалов для кубитов ключевым параметром является когерентность: время, в течение которого кубит может сохранять свое состояние до того, как окружающая среда нарушит его.

Исследование 2022 года предсказало, что оксид магния может обладать длительными временами когерентности для спиновых дефектов. В том исследовании участвовала Джулия Галли, старший научный сотрудник Аргоннской лаборатории и профессор электронной структуры и моделирования в Притцкеровской школе молекулярной инженерии Университета Чикаго.

В новом исследовании Вринда Сомджит, материаловед Аргоннской лаборатории и стипендиат Марии Гёпперт-Майер, вместе с коллегами из Университета Чикаго и Университета Линчёпинга в Швеции, изучили потенциал, отмеченный в предыдущем исследовании.

«Любой материал может иметь бесчисленное количество возможных дефектов», — сказала Сомджит. «Хотя исследование 2022 года указало на оксид магния как на материал с потенциально длительным временем когерентности спинового кубита, мы не знали, какой именно дефект окажется перспективным».

От тысяч дефектов к одному перспективному кубиту

Используя высокопроизводительный скрининг, который быстро оценивает кандидатов через автоматизированные фильтры на суперкомпьютере, команда проанализировала почти 3000 дефектов в оксиде магния.

Среди характеристик, которые они искали, две особенно важны для кубитов — как дефект взаимодействует со светом и его спиновые свойства.

Идентификация этих характеристик сократила количество потенциальных спиновых дефектов до 40. Из них команда выбрала дефекты, которые с наибольшей вероятностью можно синтезировать экспериментально.

Победителем оказался азотно-вакансионный центр, похожий на изученный в алмазе. Азотно-вакансионный центр в оксиде магния состоит из атома азота (примеси) рядом с отсутствующим атомом магния (вакансией).

Этот первый этап скрининга дал низкоточную картину свойств кандидата в спиновые дефекты в оксиде магния. Для более точной характеристики Сомджит и команда провели расчеты, используя высокоуровневые теории и открытые коды, разработанные Midwest Integrated Center for Computational Materials, вычислительным центром материаловедения, базирующимся в Аргонне и возглавляемым Галли.

Команда выполнила свои расчеты на суперкомпьютерах в двух научных центрах Министерства энергетики США: Аргоннском центре высокопроизводительных вычислений (суперкомпьютер Polaris) и Национальном центре научных вычислений для исследований в области энергетики (NERSC) в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

С помощью этих расчетов команда смогла охарактеризовать и понять оптические свойства дефекта и его взаимодействие с окружающими атомами магния и кислорода. Свойства, предсказанные теорией и вычислениями, будут полезны для руководства будущими экспериментальными исследованиями этого дефекта.

«Используя наш интегрированный набор программного обеспечения, который эффективно реализует точные методы электронной структуры, мы смогли выяснить свойства нового спинового кубита в новом оксидном материале. Мы с нетерпением ждем возможности расширить его на другие спиновые дефекты и материалы», — сказала Галли.

Теперь, когда расчеты подтвердили идею, что азотно-вакансионный центр в оксиде магния можно использовать как кубит для хранения информации, следующим шагом будет сотрудничество с экспериментаторами для синтеза такого кубита в лаборатории, сказала Сомджит.

Исследование также показало потенциал использования того же вычислительного протокола для изучения других перспективных дефектов в оксиде магния и других материалах.

«Мы рассчитали несколько различных электронных и оптических свойств в этом исследовании, что дало нам глубокое понимание оксида магния как носителя и азотно-вакансионного кубита. Но, конечно, это только начало», — сказала Сомджит. «Есть еще много свойств, которые можно рассчитать, чтобы разработать лучшие кубиты в оксидных материалах».

Дополнительная информация: Vrindaa Somjit et al, An NV− center in magnesium oxide as a spin qubit for hybrid quantum technologies, npj Computational Materials (2025). DOI: 10.1038/s41524-025-01558-w

Источник: Argonne National Laboratory