NV-кубиты, выровненные вдоль дислокации в алмазе. Источник: UChicago Galli Group

Новое исследование предполагает, что кристаллические дефекты в алмазе могут стать ключом к созданию масштабируемых квантовых межсоединений.

Объединение большого количества квантовых битов (кубитов) в работающую технологию остаётся одним из самых серьёзных препятствий на пути к квантовым вычислениям. Кубиты чрезвычайно чувствительны, и даже небольшие помехи могут нарушить квантовые состояния, которые обеспечивают мощность этих систем.

Новое теоретическое исследование, опубликованное в npj Computational Materials, указывает на неожиданное решение: использовать дефекты внутри кристаллов не как проблему, которую нужно устранить, а как структурные особенности, которые могут помочь организовать и связать кубиты в большом масштабе.

В своём исследовании учёные показывают, что дислокации в кристаллах, представляющие собой протяжённые линейные дефекты, проходящие через материал, могут служить естественными точками сбора для кубитов. Вместо того чтобы снижать квантовые характеристики, эти дефекты могут обеспечить стабильную основу для создания квантовых связей.

В работе предполагается, что дислокации могут стать основой будущих квантовых устройств, упорядочивая кубиты и сохраняя их хрупкое поведение.

Исследовательская группа под руководством профессора Марьям Газисаиди из Университета штата Огайо и профессора Джулии Галли из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (UChicago PME) и химического факультета Чикагского университета сосредоточилась на азотно-вакансионных (NV) центрах в алмазе.

Эти дефекты на атомном уровне являются одними из самых перспективных платформ для создания твердотельных кубитов, поскольку ими можно управлять и считывать их состояние с помощью света. С помощью детального моделирования на основе первых принципов исследователи обнаружили, что NV-центры естественным образом притягиваются к дислокациям в кристаллической решётке. Находясь вблизи этих линейных дефектов, кубиты могут сохранять свои квантовые свойства и в некоторых конфигурациях работать даже лучше, чем в идеальном алмазе.

«Поскольку дислокации образуют квазиодномерные (1D) структуры, проходящие через кристалл, они служат естественной основой для упорядочивания кубитов в массивы», — сказал соавтор исследования Цунчжи Чжан, научный сотрудник PME Чикагского университета в группе Галли.

Совместная работа, основанная на вычислениях

Проект, финансируемый ВВС, объединил специалистов из Чикагского университета и Университета штата Огайо в области материаловедения, машиностроения, квантовой информатики и высокопроизводительных вычислений.

Вычислительная работа проводилась с использованием инструментов массового параллельного моделирования с ускорением на графическом процессоре, разработанных в Интегрированном центре вычислительных материалов Среднего Запада (MICCoM). MICCoM — это финансируемый Министерством энергетики США центр вычислительных материаловедческих исследований, расположенный в Аргоннской национальной лаборатории и возглавляемый Галли. Программное обеспечение центра позволило смоделировать сложное поведение квантовых дефектов, связанных с дислокациями, с беспрецедентной точностью.

«Эти беспрецедентные крупномасштабные расчёты на основе фундаментальных принципов позволили точно смоделировать сложные квантовые свойства дефектов в одномерных ядрах дислокаций», — сказал соавтор исследования Виктор Ю, научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории 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 оптически инициализировать и считывать их спиновые состояния.

«Важно отметить, что мы предсказали, что определённые NV-конфигурации вблизи дислокаций демонстрируют значительно более длительное время квантовой когерентности по сравнению с NV-центрами в чистом алмазе», — сказал Газисаиди.

Это улучшение связано с нарушением симметрии вблизи дислокации, которое создаёт определённые состояния, называемые «тактовыми переходами», которые защищают кубит от магнитного шума окружающей среды.

Руководство по проведению экспериментов и созданию будущих устройств

Помимо обеспечения стабильности и когерентности, работа позволила детально предсказать оптические и магнитно-резонансные характеристики, которые могут помочь в экспериментальной идентификации полезных NV-дислокационных конфигураций.

«Хотя не все дефекты подходят для квантовых операций, результаты показывают, что значительная их часть соответствует требованиям, предъявляемым к функциональности кубитов», — сказал соавтор исследования Юй Цзинь, который на момент проведения исследования был аспирантом Чикагского университета, а сейчас работает научным сотрудником в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке.

В целом результаты исследования представляют собой новую парадигму проектирования квантовых устройств: использование дислокаций не как дефектов, которые нужно устранить, а как квантовых магистралей, которые могут служить проводниками для цепочек взаимодействующих кубитов. Такой подход открывает путь к созданию масштабируемых квантовых межсоединений в алмазе и, возможно, в других материалах, предлагая многообещающую стратегию для будущих твердотельных квантовых технологий.