如何将碳化硅空位转化为量子信息

模拟显示了碳化硅中硅和碳的空位成对成为双空位。红色表示缺陷部位的空隙体积。左上:量子位。中间:晶格中的双空位形成。右图:组合MICCoM代码的仿真结果。资料来源:芝加哥大学

“空位”是你在自驾游中寻找酒店房间时想要看到的一个标志。当涉及到量子材料时，空位也是你想看到的东西。科学家通过去除晶体材料中的原子来制造它们。这些空位可以作为量子比特或量子位，量子技术的基本单位。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)和芝加哥大学(University of Chicago)的研究人员取得了一项突破性进展，这将有助于大大改善对半导体碳化硅(silicon carbide)中空位形成的控制。

半导体是手机、电脑、医疗设备等领域的大脑背后的材料。在这些应用中，以空位形式存在的原子尺度缺陷是不可取的，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的某些类型的空位显示出在量子器件中实现量子位元的前景。量子位的应用可能包括无法破解的通信网络和能够探测单个分子或细胞的超敏感传感器。未来也可能出现能够解决传统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半导体(如碳化硅和钻石)中制造量子位值的空位，”Argonne材料科学部资深科学家、芝加哥大学分子工程和化学教授Giulia Galli说。“但对于实际的新量子应用，他们仍然需要知道更多关于如何定制这些空缺与所需的功能。”

在碳化硅半导体中，当晶格中单个的硅和碳原子被去除时，就会出现单空位。重要的是，一个碳空位可以与相邻的硅空位配对。这种成对的空位称为双空位，是碳化硅中作为量子位的关键候选。问题是，将单一空缺转化为双空缺的收益率很低，只有几个百分点。科学家们正在竞相开发一条提高产量的途径。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的博士后研究员伊丽莎白·李解释说:“为了在样品中产生实际的缺陷，你向它发射一束高速电子，这就会敲掉单个原子。”“但电子轰击也会产生不必要的缺陷。”

科学家们可以通过在非常高的温度(超过1300华氏度)下处理样品，然后再次冷却到室温来修复这些缺陷。诀窍是开发一个过程，保留想要的缺陷并治愈不想要的缺陷。

李教授表示:“通过高性能计算机在原子尺度上进行计算机模拟，我们可以观察到缺陷在不同温度下随时间在样品中形成、移动、消失和旋转。”“这是目前还无法通过实验实现的。”

在复杂的计算工具的帮助下，该团队的模拟跟踪了单个空位的配对到一个双空位。他们的努力收获了一些关键的发现，这些发现应该会为新的量子设备铺平道路。一是在热处理开始时，相对于碳空位有更多的硅空位，之后则有更多的双空位。另一个是确定产生稳定双空位的最佳温度，并在不破坏它们的情况下改变它们在晶体结构中的方向。

科学家们也许可以利用后者的发现，使所有双空位的方向一致。这将是非常理想的传感应用，能够以许多倍于当今传感器的分辨率操作。

“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类型的缺陷，”Lee补充说。这些新发现的缺陷由两个碳空位和科学家所说的反位配对组成。碳原子填补了硅原子移除后留下的空缺。

这是第一次，该团队的模拟是通过开发新的模拟算法和耦合计算机代码实现的，这些代码是由美国能源部资助的中西部计算材料综合中心(MICCoM)开发的，该中心总部位于阿尔贡，由加利领导。材料科学部高级科学家、芝加哥大学分子工程教授胡安·德·巴勃罗(Juan de Pablo)开发了新的算法，这些算法基于机器学习的概念，机器学习是一种人工智能。

“半导体中空位或缺陷的形成和运动，我们称之为罕见事件，”de Pablo说。“这些事件发生的时间跨度太长，以至于无法在传统的分子模拟中进行研究，即使是在地球上最快的计算机上。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，而不改变基本的物理原理。这就是我们的算法;他们让不可能成为可能。”

李在MICCoM科学家加利和德巴勃罗的工作基础上，将不同的代码结合起来。多年来，其他几位科学家也参与了代码耦合研究，包括加州大学戴维斯分校的Francois Gygi和圣母大学的Jonathan Whitmer。结果是一个重要和强大的新工具集结合量子理论和模拟来研究空位的形成和行为。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，并确定针对不同应用的最佳缺陷。”