Квантовые технологии, от сверхчувствительных сенсоров до информационных процессоров нового поколения, зависят от способности квантовых битов (кубитов) сохранять свои хрупкие квантовые состояния достаточно долго, чтобы быть полезными.
Одним из важнейших показателей этой стабильности является время спиновой когерентности. К сожалению, кубиты могут терять когерентность из-за «шума» в окружающей среде, например, из-за присутствия ядерных изотопов или других помех, нарушающих работу кубита.
Двумерные (2D) материалы — или атомарно тонкие листы — могут обеспечить тихую среду для кубитов, поскольку их уменьшенная толщина естественным образом снижает количество изотопов, взаимодействующих с кубитом.
В статье, недавно опубликованной в npj 2D Materials and Applications, исследователи из Чикагского университета (University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, UChicago PME) разработали высокопроизводительную вычислительную стратегию, создав новый подход, основанный на данных, для поиска идеальных двумерных материалов и подложек.
«Поскольку до сих пор исследовано лишь несколько двумерных материалов в качестве носителей кубитов, в этой области отсутствовала всеобъемлющая дорожная карта для выявления новых кандидатов, особенно с учётом того, что двумерные материалы должны размещаться на поддерживающей подложке в реальных устройствах», — сказал первый автор Майкл Торияма, постдокторант в группе Галли в UChicago PME.
В новой статье описывается новая вычислительная стратегия для прогнозирования времени когерентности кубитов на тысячах двумерных материалов, взаимодействующих с подложками. Используя автоматизированную систему, основанную на методе «кластерного корреляционного расширения» — мощном способе моделирования взаимодействия изотопов с кубитом, — команда рассчитала время спиновой когерентности для более чем тысячи монослоёв, обнаружив 189, которые потенциально могут поддерживать время когерентности дольше, чем у алмаза, популярного носителя спиновых кубитов.
«Мы обнаружили, что такие материалы, как WS₂ и некоторые золотосодержащие оксиселениды, особенно перспективны, демонстрируя прогнозируемое время когерентности в десятки миллисекунд — исключительные значения для твердотельных систем», — сказала профессор UChicago PME Джулия Галли, старший автор исследования.
Эти соединения имеют две общие черты: они содержат очень мало ядер с сильными магнитными моментами, и многие из их атомов естественным образом встречаются в изотопах со свободным спином.
«Их структурные мотивы, такие как квадратно-плоскостные переходно-металлические–кислородные единицы, также могут быть использованы для размещения кубитов с желаемыми электронными свойствами», — сказал соавтор Цзявэй Чжань, кандидат наук в UChicago PME, который выполнил несколько расчётов электронной структуры перспективных материалов.
Но кубиты не живут в свободно плавающих монослоях. Они располагаются на подложках. Поэтому команда оценила более 1500 комбинаций двумерных материалов и подложек, обнаружив, что подложки могут значительно ухудшать когерентность, если их не выбирать тщательно.
Такие материалы, как некоторые оксиды, например, церия и оксид кальция, которые имеют изначально низкий ядерно-спиновый шум, помогают сохранить длительное время спиновой когерентности двумерного носителя. Это открытие даёт чёткое руководство по проектированию высокопроизводительных устройств со спиновыми кубитами в двумерных системах путём выбора как тихого материала-носителя, так и тихой подложки.
Чтобы сделать возможным такой крупномасштабный скрининг — и ускорить будущие открытия — авторы также разработали аналитические модели, которые отражают основные физические принципы, лежащие в основе декогеренции в двумерных материалах и гетероструктурах, вдохновлённые предыдущей работой доцента Тохокуского университета Шуна Канаи по трёхмерным материалам.
«Эти простые формулы, основанные на структуре, позволяют быстро оценить время когерентности без проведения дорогостоящего моделирования», — сказал Канаи, соавтор исследования.
С помощью аналитических моделей авторы расширили поиск почти до 5000 дополнительных двумерных материалов из общедоступных баз данных, идентифицировав более 500 новых кандидатов с длительным прогнозируемым временем когерентности.
Общий вывод работы ясен: пространство потенциально полезных двумерных квантовых материалов гораздо богаче, чем предполагалось ранее. Сочетая высокопроизводительное моделирование, моделирование на основе данных и физические идеи, исследование предоставляет сообществу план систематического поиска носителей кубитов следующего поколения в двумерных системах.
Это также намекает на захватывающее направление: использование генеративных моделей, вдохновлённых искусственным интеллектом, подобных ChatGPT, для разработки совершенно новых двумерных материалов, оптимизированных для квантовой когерентности.
«По мере того как квантовые технологии переходят из лабораторий в практические устройства, такой подход, основанный на данных, будет иметь важное значение», — сказала Галли. «Он превращает то, что когда-то было исследованием методом проб и ошибок, в рациональный поиск в обширном пространстве проектирования, приближая к реальности цель создания надёжных, масштабируемых устройств с квантовыми возможностями».
Предоставлено Чикагским университетом.