Алмазные дефекты ищут быстрее: новый метод из Принстона для квантовых технологий

В Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США разработан вычислительный метод, который ускоряет поиск алмазных материалов для квантовых компьютеров и высокочувствительных датчиков. Подход позволяет оценивать перспективные материалы без моделирования всей кристаллической структуры. Результаты опубликованы в журнале ACS Central Science, о них сообщает ScienceDaily. Об этом пишет издание Science XXI.

Квантовым технологиям требуются материалы, способные сохранять хрупкие квантовые состояния в практических условиях. Многие известные варианты работают только при крайне низких температурах, тогда как отдельные свойства алмазов сохраняются при комнатной температуре. Это делает алмазные структуры перспективными для квантовых датчиков и компьютеров, которые в будущем смогут выполнять отдельные сложные расчёты намного быстрее обычных суперкомпьютеров.

Основой таких систем служат не идеальные кристаллы, а небольшие дефекты в их решётке. Они возникают, когда атом углерода отсутствует, заменён другим элементом или одновременно происходят оба изменения. Атомы вокруг дефекта могут образовывать кубиты — базовые элементы для хранения и обработки квантовой информации, однако точное моделирование их свойств обычно требует значительных вычислительных ресурсов.

Автор метода Марк Мартирез предложил выделять вокруг дефекта небольшой участок, состоящий из 16–30 атомов, и рассматривать его как отдельную молекулу. Такой способ позволяет применять давно разработанные химические вычислительные методы, сохраняя необходимую точность и заметно сокращая объём расчётов. С помощью новой схемы исследователи обнаружили перспективные дефекты с участием бора и кислорода: первые могут излучать ультрафиолетовый свет, а вторые — синий, тогда как широко изучаемые азотно-вакансионные центры дают красное свечение.

Различия в оптических свойствах могут позволить объединять несколько разновидностей кубитов в одном устройстве и управлять одной группой, не затрагивая другую. Исследование также показывает, что при создании квантовых материалов полезно сочетать физику твёрдого тела и химию. По замыслу учёных, такой подход способен помочь разрабатывать кубиты под конкретные задачи, а более точные квантовые расчёты молекул в перспективе могут поддержать фармацевтические и материаловедческие исследования.