科学家用计算机模拟量子技术中自旋缺陷的形成历程

发布时间：2023-11-13 11:32:40 所属栏目：外闻来源：

导读：最近的一项研究利用先进的原子级计算机模拟来预测量子技术中有用的自旋缺陷的形成过程。由朱利亚-加利领导的芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员进行了一项计算研究，预测了在碳化硅中产生特定自旋缺陷的必要条

最近的一项研究利用先进的原子级计算机模拟来预测量子技术中有用的自旋缺陷的形成过程。由朱利亚-加利领导的芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员进行了一项计算研究，预测了在碳化硅中产生特定自旋缺陷的必要条件。这些研究结果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上，标志着在建立自旋缺陷制造参数方面迈出了重要一步，而自旋缺陷具有推动量子技术进步的潜力。

半导体和绝缘体中的电子自旋以及其他缺陷集成电路是发展量子信息、人工智能传感和通信方面的应用的不可或缺的丰富平台。缺陷主要源自固体中的杂质和/或错位原子，与这些原子缺陷相关的电子带有自旋。这种类型量子力学传感器的特性必要时可简单明了地用于提供实质上可控的量子比特，可编程控制器即量子技术中的基本操作单元。

分子工程与化学教授加利是这篇新论文的通讯作者，他说："目前还没有一种明确的策略，可以按照我们想要的精确规格设计自旋缺陷的形成，这种能力对于推动量子技术的发展非常有利。因此，我们开始了漫长的计算之旅，并提出了以下问题：我们能否通过进行全面的原子模拟来了解这些缺陷是如何形成的？

加利的团队，包括小组的博士后研究员张存志和加州大学戴维斯分校计算机科学教授弗朗索瓦·吉吉结合多种计算技术和算法，预测了碳化硅中被称为"空位"的特定自旋缺陷的形成。

量子传感可以实现磁场和电场的探测，还能揭示复杂的化学反应是如何发生的，这些都是当今技术无法实现的。加利说：要在固态中释放量子传感能力，我们首先需要能够在正确的位置创造出正确的自旋缺陷或量子比特。

团队量子模拟中使用的第一原理分子动力学代码 Qbox 的主要开发者 Gygi 说："通常情况下，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。这样一来，研究学者如果能够比较好地充分理解这些细胞的缺陷如何影响着能自我形成的这样的复杂化学反应过程的机理非常重要。

研究小组将 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相结合，该中心是一个计算材料科学中心，总部设在阿美国家实验室，由能源部资助，Galli 和 Gygi 都是该中心的高级研究员。

研究小组预计，实验人员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，但他们也提醒说，要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还需要做更多的工作。加利说：但我们提供的原理证明非常重要--我们证明了可以通过计算确定产生所需自旋缺陷所需的一些条件。

虽然她的团队是在计算研究的基础上取得的进展，但加利说，他们的所有预测都植根于与实验人员的长期合作。如果没有我们实验室所处的良性循环生态系统，如果没有与全世界的实验人员的不断持续的交流和相互作用的合作，这一切都不会发生。

（编辑：汽车网）

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