Исследователь Принстонской лаборатории физики плазмы при Министерстве энергетики США разработал вычислительный метод для ускоренного поиска алмазных материалов, пригодных для квантовых компьютеров и высокочувствительных сенсоров. Подход значительно упрощает выявление перспективных материалов для квантовых технологий. О результатах, опубликованных в журнале ACS Central Science, сообщает ScienceDaily.
Метод уже помог найти новые кандидаты для применения в квантовых вычислениях и сенсорике. Одной из главных проблем этой области остаётся создание материалов, способных сохранять хрупкие квантовые состояния в практических условиях. Алмазные структуры особенно интересны тем, что некоторые их квантовые свойства могут сохраняться при комнатной температуре.
Полезные характеристики алмаза связаны не с идеальной кристаллической решёткой, а с небольшими дефектами внутри неё. Такие нарушения возникают, когда атом углерода отсутствует на своём месте, замещается атомом другого элемента или происходят оба изменения одновременно. Окружающие дефект атомы могут образовывать кубиты — базовые элементы хранения и обработки квантовой информации.
Ранее расчёт поведения подобных дефектов требовал значительных вычислительных ресурсов, что затрудняло проверку большого числа вариантов. Учёный Марк Мартирез предложил анализировать не весь алмаз, а небольшой кластер из 16–30 атомов, расположенных вокруг дефекта. Такой фрагмент рассматривается как отдельная молекула, благодаря чему для расчётов можно применять отработанные методы квантовой химии без потери необходимой точности.
Новая технология позволяет быстрее оценивать реакцию различных кубитов на лазерное излучение и микроволновые импульсы. В ходе работы были выявлены перспективные дефекты с участием бора и кислорода. Кислородные дефекты способны излучать синий свет, а борсодержащие — ультрафиолетовый, тогда как широко изучаемый азотно-вакансионный центр при определённом квантовом состоянии даёт красное свечение.
Разные оптические свойства могут позволить объединять несколько типов кубитов в одном устройстве и воздействовать на одну группу, не затрагивая другую. Исследователь считает, что сочетание физики твёрдого тела и химии поможет проектировать кубиты под конкретные задачи по аналогии с созданием специализированных молекул. Работа финансировалась программой лабораторных исследований и разработок Принстонской лаборатории, а также Управлением науки Министерства энергетики США по физике термоядерной энергии.