氧化钙是一种廉价的白色化合物，通常用于制造水泥、石膏、纸张和钢铁。但这种材料可能很快就会有更高科技的应用。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员和他们在瑞典的合作者已经使用理论和计算方法来发现嵌入固体氧化钙中的微小的、孤独的铋原子如何充当量子比特——量子计算机和量子通信设备的基石。这些量子比特发表在今天的《自然通讯》杂志上。
“这个系统的性能比我们预期的要好，”普利兹克分子工程与化学学院的刘氏家族教授、这项新研究的资深作者朱莉娅·加利说。“它的噪音非常低，可以长时间保存信息，而且不是用花哨、昂贵的材料制成的。”
一个量子比特，或量子位，是在量子计算中编码数据的基本信息单位。如今，研究人员已经开发出许多不同类型的量子比特，它们通常由半导体材料中的微小点缺陷组成。这些缺陷的某些属性可用于存储信息片段。然而，许多现有的量子位非常脆弱;它们周围的电子或磁性“噪音”可以改变它们的特性，抹去它们内部编码的任何信息。
2022年，日本科学家与David Awschalom和Galli团队合作，模拟了超过12,000种材料的特性，以发现新的潜在固体，这些固体可能包含有前途的缺陷，可以作为量子比特。这项工作表明，氧化钙是一种有可能包含量子比特的材料，这种量子比特可以在很长一段时间内以非常低的噪音水平编码信息。
“我们之前的工作告诉我们，如果你在其结构中找到合适的缺陷，氧化钙将成为存储量子信息的完美介质，”加利小组的博士后、论文作者之一尼基塔·奥尼祖克(Nikita Onizhuk)说。“所以我们的新目标是找到理想的缺陷。”
在这篇新论文中，加利和她的同事们使用了近年来建立的一系列计算方法来筛选氧化钙中9000多种不同的缺陷，以寻找它们作为量子比特的潜力。结果指向了一种缺陷——锑、铋或碘原子嵌入到构成氧化钙的钙和氧的通常结构中。
“我们从来没有想到这些缺陷会如此有前途，”link?ping大学的乔尔·戴维森(Joel Davidsson)说，他是这篇论文的第一作者，也是用于发现新型自旋缺陷的高通量方法的主要开发者。“要做到这一点，唯一的办法就是进行彻底、公正的筛选程序。”
加利的团队随后通过他们的建模方法表明，氧化钙中的铋缺陷理论上可以在噪音很小的情况下编码数据，并且可以持续相对较长的时间(与许多量子比特显示的毫秒相干性相比，可以持续数秒)。由于这种材料的折射率和发射光子的能力，它也有可能与电信设备很好地结合。
加利和他的合作者现在正与实验小组合作，他们可以制造基于氧化钙的材料，并测试这些预测是否成立。
加利说:“我们还处于非常早期的阶段，但从基础科学的角度来看，我们认为这种材料非常有前途。”
引文:“从第一原理发现简单氧化物中的原子钟类自旋缺陷”，Davidsson等人，《自然通讯》，2024年6月6日。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 49057 - 8
资助:这项工作得到了瑞典电子科学研究中心(SeRC)、克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会、瑞典研究委员会、谷歌博士奖学金和空军科学研究办公室的支持。
