如何将碳化硅空位转化为量子信息

如何将碳化硅空位转化为量子信息

仿真显示了硅和碳空位成羟基在碳化硅中的相位。红色表示缺陷部位的空隙量。左上角：量子比特。中：晶格中的分离性形成。右图：带有组合 MICCoM 代码的仿真结果。图片来源：芝加哥大学

"空位"是您在公路旅行中搜索酒店房间时想要看到的标志。说到量子材料，空位也是你想看到的。科学家通过去除晶体材料中的原子来创造它们。这种空位可以作为量子比特，量子通讯技术的基本单位。

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和芝加哥大学的研究人员取得了突破，这应该有助于为改善对半导体碳化硅空位形成的控制铺平道路。

半导体是手机、电脑、医疗设备等大脑背后的材料。对于这些应用，以空位形式存在的原子级缺陷是不可取的，因为它们会干扰性能。然而，根据最近的研究，碳化硅和其他半导体中某些类型的空位显示出在量子器件中实现量子比特的前景。量子比特的应用可能包括不可破解的通信网络和能够检测单个分子或细胞的超灵敏传感器。未来还可能出现能够解决经典计算机无法解决的复杂问题的新型计算机。

"科学家们已经知道如何在碳化硅和金刚石等半导体中产生量子比特的空位，"阿贡材料科学系高级科学家、芝加哥大学分子工程和化学教授朱莉娅·加利（Giulia Galli）说。"但对于实际的新量子应用，他们仍然需要更多地了解如何使用所需的功能自定义这些空位。

在碳化硅半导体中，在去除晶格中的单个硅和碳原子时会出现单空位。重要的是，碳空位可以与相邻的硅空位配对。这种成对空位，称为双空位，是碳化硅中量子位的关键候选者。问题在于，将单个空缺转化为双空位的几率一直很低，只有几个百分点。科学家们正在竞相开发一种提高产量的途径。

"为了在样品中产生实际的缺陷，你向它发射一束高速电子，这会敲除单个原子，"芝加哥大学普利兹克分子工程学院的博士后研究员Elizabeth Lee解释说。"但这种电子轰击也会产生不必要的缺陷。

科学家可以通过随后在非常高的温度下处理样品来治愈这些缺陷，高于1，300华氏度，然后将其再次冷却到室温。诀窍是开发一个过程，可以保留所需的缺陷并治愈不需要的缺陷。

"通过使用高性能计算机在原子尺度上进行计算机模拟，我们可以观察缺陷在不同温度下随时间在样品中形成，移动，消失和旋转，"Lee说。"这是目前实验无法做到的事情。

视频显示双空位改变其方向。图片来源：芝加哥大学

在复杂计算工具的帮助下，该团队的模拟跟踪了各个空缺的配对成一个差异。他们的努力收获了关键发现，这些发现应该为新的量子设备铺平道路。一个是，在热处理开始时，相对于碳空位，硅空位越多，之后的差距就越大。另一个是确定最佳温度，以产生稳定的双空位，并在不破坏晶体结构的情况下改变其取向。

科学家可能能够利用后一种发现来对齐所有双空位的方向。这对于能够以当今传感器的许多倍的分辨率运行的传感应用是非常理想的。

"一个完全出乎意料和令人兴奋的发现是，双空位可以转化为一种全新的缺陷类型，"Lee补充道。这些新发现的缺陷由两个碳空位组成，与科学家所谓的反位点配对。这是一个碳原子填补了通过去除硅原子而留下的空缺的位点。

该团队的模拟是首例，通过开发新的模拟算法和由美国能源部资助的中西部计算材料综合中心（MICCoM）开发的计算机代码的耦合，该团队的模拟成为可能，该中心总部位于阿贡，由Galli领导。材料科学系的高级科学家、芝加哥大学分子工程教授Juan de Pablo开发了新算法，这些算法基于机器学习的概念，机器学习是一种人工智能形式。

"半导体中空位或缺陷的形成和运动是我们所说的罕见事件，"de Pablo说。"这样的事件发生在时间尺度上的时间尺度太长了，无法在传统的分子模拟中研究，即使在地球上最快的计算机上也是如此。至关重要的是，我们必须开发新的方法来促进这些事件的发生，而不会改变潜在的物理学。这就是我们的算法所做的;他们让不可能成为可能。

Lee将各种代码结合在MICCoM科学家Galli和de Pablo的工作之上。多年来，其他几位科学家也参与了代码耦合，包括加州大学戴维斯分校的Francois Gygi和圣母大学的Jonathan Whitmer。结果是一个重要而强大的新工具集，结合了量子理论和模拟，用于研究空位形成和行为。这不仅适用于碳化硅，也适用于其他有前途的量子材料。

"我们才刚刚开始，"加利说。"我们希望能够更快地进行计算，模拟更多的缺陷，并确定不同应用的最佳缺陷是什么。