摘要：氧化镁是一种用途广泛的工业和医疗保健材料，也可能是量子技术的良好候选材料。由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室牵头、发表在《npj计算材料》杂志上的一项研究揭示了这种矿物中存在的缺陷，可能有助于量子应用。

氧化镁是一种用途广泛的工业和医疗保健材料，也可能是量子技术的良好候选材料。由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室牵头、发表在《npj计算材料》杂志上的一项研究揭示了这种矿物中存在的缺陷，可能有助于量子应用。

研究人员正在探索量子比特，用于构建能够利用量子特性的系统。这些系统可以在各种设备中运行，性能可能超越传统超级计算机，构成牢不可破的网络，或探测到最微弱的信号。

要释放量子位在量子计算、传感和通信等应用方面的潜力，需要了解原子尺度的材料。

量子比特可以通过多种不同的材料和策略来构建。其中一种策略是“自旋缺陷”，即材料原子结构中的不规则性可以承载信息。不规则性可以是原子缺失，也可以是材料中添加的“外来”原子（也称为掺杂剂）。

碳化硅和金刚石等材料都具有已得到深入研究的自旋缺陷。例如，金刚石中的“氮空位中心”就是一个典型的自旋缺陷，其中一个氮原子（掺杂剂）位于缺失的碳原子（空位）旁边。

尽管碳化硅和金刚石前景光明，但它们也存在一些缺陷，值得探索使用其他固体作为自旋缺陷的载体。此外，在新的载体中识别自旋缺陷可以拓展量子应用的潜力。

除了在建筑、医疗保健、废水处理和其他领域的广泛应用外，氧化镁还常用于微电子领域。微电子设备为智能手机和传感器等无数系统提供动力。在这项研究中，科学家们试图进一步拓展氧化镁的用途，并探索其在量子技术中的应用前景。

在探索量子比特材料时，游戏的名称是相干性：量子比特在周围环境破坏之前可以保持其状态的时间量。

2022年的一项研究预测，氧化镁可能具有较长的自旋缺陷相干时间。该研究的研究人员包括阿贡国家实验室高级科学家、芝加哥大学普利兹克分子工程学院和化学系电子结构与模拟刘氏家族教授朱莉娅·加利(Giulia Galli)。

在这项新研究中，阿贡国家实验室材料科学家、玛丽亚·格佩特·迈耶研究员 Vrindaa Somjit 和 Galli 与芝加哥大学和瑞典林雪平大学的同事一起，着手探索早期研究中发现的潜力。

“任何材料都可能存在无数可能的缺陷，”索姆吉特说。“尽管2022年的研究指出氧化镁具有潜在的较长自旋量子比特相干时间，但我们并不知道具体是哪种缺陷有希望。”

从数千个缺陷到一个有希望的量子比特

该团队采用高通量筛选技术，通过高性能计算机上的自动过滤器快速评估候选材料，筛选出了氧化镁中近 3,000 个缺陷。

在他们寻找的特征中，有两个对于量子比特来说特别有趣——缺陷如何与光相互作用以及缺陷的自旋特性。

确定这些特征后，潜在自旋缺陷的数量减少到 40 个。其中，研究小组进一步寻找最有可能通过实验合成的缺陷。

获胜者：一个与金刚石中研究的氮空位中心类似的氮空位中心。氧化镁中的氮空位中心由一个氮原子（掺杂剂）和一个缺失的镁原子（空位）组成。

第一轮筛选只能对氧化镁中自旋缺陷候选物的特性进行低精度描述。为了获得更准确的表征，Somjit 及其团队使用了由美国中西部计算材料综合中心（总部位于阿贡国家实验室，由 Galli 领导）开发的高级理论和开源代码进行计算。

该团队在美国能源部科学办公室的两个用户设施的高性能计算机上进行了计算，这两个用户设施分别是阿贡领导计算设施（特别是北极星超级计算机）和劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心（NERSC）。

通过这些计算，研究团队能够表征和理解缺陷的光学特性，以及它如何与周围的镁原子和氧原子相互作用。通过理论和计算预测的特性将有助于指导未来对该缺陷的实验表征。

“我们集成的软件能够高效地实现精确的电子结构方法，利用它我们能够阐明新型宿主氧化物材料中新自旋量子比特的性质。我们期待将其扩展到其他自旋缺陷和宿主，”加利说道。

Somjit 表示，既然论文的计算证实了氧化镁中的氮空位中心可以用作存储信息的量子比特的想法，下一步就是与实验科学家合作在实验室中合成这样的量子比特。

该研究还揭示了使用相同的计算协议探索氧化镁和其他材料中的其他有希望的缺陷的潜力。

“我们在这项研究中计算了几种不同的电子和光学特性，这让我们对氧化镁宿主和氮空位量子比特有了深入的了解。但当然，这仅仅是个开始，”Somjit 说。

“还有更多可计算的属性，有助于设计氧化物材料中更好的量子比特。”

来源：科学漫漫谈