由芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授Giulia Gall领导的研究人员与瑞典的合作者一起，使用理论和计算方法来发现简单氧化钙中的缺陷如何产生具有一些有希望的特性的量子比特。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/彼得·艾伦

氧化钙是一种廉价的白垩状化合物，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及其在瑞典的合作者使用理论和计算方法来发现嵌入固体氧化钙中的微小、孤零零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构建块。这些量子比特今天在Nature Communications中进行了描述。

“这个系统的特性比我们预期的要好，”普利兹克分子工程与化学的Liew家族教授、这项新工作的资深作者Giulia Galli说。“它的噪音水平非常低，可以长时间保存信息，而且不是用花哨、昂贵的材料制成的。”

量子比特或量子比特是在量子计算中对数据进行编码的基本信息单位。如今，研究人员已经开发出许多不同类型的量子比特，这些量子比特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，许多现有的量子比特非常脆弱;周围环境中的电子或磁性“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 团队之间的合作模拟了 12,000 多种材料的特性，以发现新的潜在固体，这些固体可能包含作为量子比特的有希望的缺陷。这项工作发现氧化钙是许多材料之一，这些材料有可能包含量子比特，这些量子比特在特别长的一段时间内以非常低的噪声水平编码信息。

“我们之前的工作告诉我们，如果你找到正确的缺陷来放置其结构，氧化钙将是存储量子信息的完美介质，”Galli小组的博士后研究员Nikita Onizhuk说，他是该论文的作者之一。“因此，我们的新目标是找到理想的缺陷。

在这篇新论文中，Galli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的9000多种不同缺陷，以寻找它们作为量子比特的潜力。结果指向一种缺陷，其中锑，铋或碘原子嵌入构成氧化钙的钙和氧的通常结构中。

“我们从来没有猜到这些确切的缺陷会如此有希望，”林雪平大学的Joel Davidsson说，他是该论文的第一作者，也是用于发现新型自旋缺陷的高通量方法的主要开发者。“做到这一点的唯一方法是进行彻底和公正的筛查程序。

然后，Galli的团队通过他们的建模方法表明，氧化钙中的铋缺陷理论上可以对数据进行编码，噪声很小，并且持续时间相对较长（与许多量子比特显示的毫秒相干性相比，需要几秒钟）。由于材料的折射率和发射光子的能力，它还有可能与电信设备很好地啮合。

盖利和合作者现在正在与实验小组合作，他们可以构建基于氧化钙的材料，并测试预测是否成立。

“我们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，”盖利说。

更多信息：Joel Davidsson 等人，从第一性原理发现简单氧化物中类似原子钟的自旋缺陷，《自然通讯》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41467-024-49057-8

期刊信息： Nature Communications