Кристаллические дефекты превратили в квантовые магистрали для кубитов

Создание крупномасштабных квантовых технологий требует надёжных способов соединения отдельных квантовых битов (кубитов), не разрушая их хрупкие квантовые состояния. В новом теоретическом исследовании, опубликованном в npj Computational Materials, учёные показали, что дислокации кристаллов — линейные дефекты, долгое время считавшиеся несовершенствами, — могут, наоборот, служить мощными строительными блоками для квантовых соединений.

NV-центры, выстроенные вдоль дислокации в алмазе. Автор: UChicago Galli Group

Используя передовое моделирование на основе первых принципов, команда под руководством профессора Мариам Газисаиди из Университета штата Огайо и профессора Джулии Галли из Инженерной школы молекулярных исследований Притцкера (UChicago PME) и химического факультета Чикагского университета продемонстрировала, что азотно-замещённые вакансии (NV-центры) в алмазе, являющиеся одной из ведущих платформ для твёрдотельных кубитов, могут притягиваться к дислокациям и сохранять — а в некоторых случаях даже улучшать — свои квантовые свойства, находясь рядом с этими линейными дефектами.

Поскольку дислокации образуют квазиодномерные структуры, проходящие через кристалл, они обеспечивают естественный каркас для упорядочивания кубитов в массивы, — сказал соавтор исследования Чжан Куньчжи, научный сотрудник группы Галли в UChicago PME.

Исследование объединило экспертизу Чикагского университета и Университета штата Огайо в области материаловедения, машиностроения, квантовой информатики и высокопроизводительных вычислений.

Моделирование, проведённое в работе, использовало ускоренные на GPU массово-параллельные коды, разработанные в рамках Среднезападного интегрированного центра вычислительных материалов (MICCoM), центра вычислительного материаловедения под руководством Галли.

Эти беспрецедентные крупномасштабные расчёты на основе первых принципов позволили точно смоделировать сложные квантовые свойства дефектов в одномерных ядрах дислокаций, — сказал соавтор Виктор Ю, научный сотрудник Национальной лаборатории Аргонна и главный исследователь MICCoM.

Исследование показало, что многие NV-центры вблизи ядер дислокаций остаются стабильными в желаемом зарядовом и спиновом состоянии и сохраняют жизнеспособный оптический цикл, что позволяет осуществлять оптическую инициализацию и считывание их спиновых состояний.

Важно, что мы предсказали, что определённые конфигурации NV-центров вблизи дислокаций демонстрируют значительно увеличенное время квантовой когерентности по сравнению с NV-центрами в идеальном алмазе, — заявила Газисаиди.

Это улучшение возникает из-за нарушения симметрии вблизи дислокации, которое создаёт специфические состояния, называемые «часовыми переходами», защищающими кубит от воздействия внешнего магнитного шума.

Помимо установления стабильности и когерентности, работа предоставила детальные предсказания оптических и магнитных резонансных сигнатур, которые могут направлять экспериментальную идентификацию полезных конфигураций «NV-центр — дислокация».

Хотя не все расположения дефектов подходят для квантовых операций, результаты показывают, что значительная их часть соответствует требованиям для функциональности кубита, — сказал соавтор Юй Цзинь, бывший аспирант Чикагского университета, а ныне постдокторант Института Флэтайрон в Нью-Йорке.

В целом, результаты исследования представляют новую парадигму для проектирования квантовых устройств: использование дислокаций не как дефектов, которые нужно устранять, а как квантовых магистралей, которые могут содержать и облегчать взаимодействие цепочек кубитов. Этот подход открывает путь к созданию масштабируемых квантовых соединений в алмазе и, возможно, других материалах, предлагая многообещающую стратегию для будущих твёрдотельных квантовых технологий.

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как переосмысление фундаментальных понятий в науке о материалах может привести к прорывам в смежных областях, таких как квантовые вычисления. Использование «дефектов» в качестве функциональных элементов вместо их устранения — элегантный и потенциально революционный подход к проблеме масштабирования кубитов.