Учёные разработали метод компьютерного моделирования для точной настройки молекулярных кубитов

Графическая аннотация. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c04004

Кубит — это хрупкое, но важное сердце квантового устройства, обрабатывающее информацию. В ближайшие десятилетия ожидается, что достижения в области квантовых вычислений дадут нам компьютеры с новыми мощными возможностями и детекторы, способные улавливать атомные сигналы в медицине, навигации и других областях. Реализация таких технологий зависит от наличия надёжных и долговечных кубитов.

Теперь исследователи сделали важный шаг в понимании правил, необходимых для проектирования полезных и эффективных кубитов.

Используя передовое компьютерное моделирование, учёные разработали способ точного предсказания и тонкой настройки ключевых магнитных свойств устройства под названием молекулярный кубит. Они также выяснили, какие факторы в материале, окружающем кубит, больше всего влияют на эту настройку, и рассчитали, как долго кубиты могут «жить».

Их предсказания совпали с экспериментальными данными.

«Я считаю, что эта работа откроет новые возможности для моделирования молекулярных кубитов с первых принципов, и я вижу в ней реальную отправную точку для многих будущих исследований, особенно в области сборки молекулярных кубитов», — сказала Джулия Галли, руководившая командой.

Галли является старшим научным сотрудником Национальной лаборатории Аргонн Министерства энергетики США и профессором электронной структуры и моделирования в Притцкерской школе молекулярной инженерии и на химическом факультете Чикагского университета.

Работа группы опубликована в Journal of the American Chemical Society.

Проектирование кубитов по спецификациям

Молекулярный кубит состоит из молекулы, находящейся внутри более крупного кристалла. Команда Галли сосредоточилась на системах на основе хрома.

Традиционно учёные создают молекулярные кубиты, разрабатывая различные материалы, тестируя их и измеряя их производительность — подобно тому, как строят здания из разных материалов и затем проверяют их устойчивость к различным погодным условиям.

Это верный подход. Но команда хотела дать указания о том, как проектировать молекулярные кубиты в соответствии со спецификациями. Кубиты на основе хрома дали исследовательской группе возможность разработать вычислительный метод, который мог бы предсказать, как ключевые характеристики кубита будут реагировать на различные варианты проектирования.

«С точки зрения проектирования мы хотели разработать правила для инженерии различных свойств кубитов, которые полезны для нашего конкретного применения, будь то квантовая связь, квантовое зондирование или квантовые вычисления», — сказал Майкл Торияма, постдокторант Аргоннской лаборатории.

«В своей работе мы разработали полностью вычислительный метод для определения этих принципов проектирования».

Расщепление и спин

Звездой молекулярного кубита является нечто под названием «спин». Это свойство каждого атома. Подобно тому, как азбука Морзе использует точки и тире для передачи сообщений, молекулярный кубит использует спин для кодирования квантовой информации.

Спин хромового центра может расщепляться на три магнитных энергетических уровня. Это явление называется «расщеплением в нулевом поле» (Zero-Field Splitting, ZFS). Энергетические уровни меняются в зависимости от того, как атом расположен в кристалле. («Нулевое» относится к отсутствию внешних электромагнитных полей.)

Учёным необходимо знать энергии каждого уровня, чтобы точно управлять кубитом. Без знания значений ZFS управление кубитом было бы похоже на попытку настроить радио, не зная частоты станции.

Возможность установить ZFS особенно полезна в больших квантовых системах со многими кубитами, которым необходимо иметь предсказуемые, контролируемые энергетические различия, чтобы избежать нежелательных помех. Контроль над ZFS также позволяет увеличить время жизни кубита, или время когерентности — больше времени для обработки информации кубитом до его распада.

«Мы можем предсказать время когерентности по ZFS с помощью наших методов, что позволяет разработать лучшие принципы проектирования для продления когерентности кубита», — сказал Торияма. — «Это похоже на то, как если бы мы выясняли, как построить лучшую броню вокруг кубита, чтобы защитить его».

Вычислительный протокол группы для предсказания ZFS даёт учёным возможность в полной мере использовать лучшее преимущество молекулярного кубита: его настраиваемость.

«В других типах кубитов, например, в алмазе, возможности модификаций ограничены, тогда как с молекулами можно многое сделать. Вы можете настраивать свойства под нужное вам применение», — сказал Диего Сорбелли, доцент Перуджийского университета в Италии и бывший постдокторант Чикагского университета.

«Это похоже на использование кубиков Lego: выяснить, какие кубики сочетаются друг с другом, а затем получить конечный продукт с желаемыми свойствами», — добавил Торияма.

Сотрудничество в области кубитов

Как настроить ZFS молекулярного кубита? Команда Галли выделила два важных регулятора для установки ZFS именно там, где это необходимо: геометрия кристалла, окружающего хромовый центр, и электрические поля, возникающие из-за химического состава кристалла.

Работа команды является первой, которая не только предоставляет вычислительный метод для точного предсказания ZFS в хромовых молекулярных кубитах, но и первой, которая определяет, что ZFS можно контролировать, манипулируя электрическими полями кристалла-хозяина.

«Мы даём новые правила проектирования для изменения состава окружающей среды, чтобы активно управлять этими спиновыми структурами, которые мы можем точно предсказать», — сказал Лоренцо Бальдинелли, первый автор статьи, аспирант Перуджийского университета и бывший приглашённый аспирант Чикагского университета.

«Так что теперь, используя наш протокол, мы можем учитывать не только электронные и спиновые свойства кубита, но и его окружения».

Сделать это было непросто.

«Эти свойства чрезвычайно сложно предсказать с первых принципов», — сказал Сорбелли.

Но тесное междисциплинарное сотрудничество в группе Галли — химиков, материаловедов и физиков — помогло выявить наиболее важные регуляторы в сложной химии хромового кубита.

«Я помню, это меня беспокоило. Как нам предсказать расщепление в нулевом поле? Какие компоненты нам нужны для этого? Можем ли мы это сделать? Я был очень упрям в этом. А затем появился Лоренцо, и мы объединились, в конечном итоге вовлекая Майкла в команду. С этого момента кривая обучения была крутой, но всё прошло довольно гладко», — вспоминал Сорбелли.

«Не так много групп оснащены для вычисления когерентных свойств кубитов. Мы использовали инструменты, которые наша группа разрабатывала в течение многих и многих лет исследований», — сказал Торияма.

«Это действительно свидетельство того, насколько успешным может быть сотрудничество и насколько универсальна наша группа».

Больше информации: Lorenzo Baldinelli et al, Design Rules to Engineer the Spin Structure of Cr⁴⁺ Molecular Qubits via Matrix Modularity, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c04004

Источник: Argonne National Laboratory