最近的一項研究利用先進的原子級電腦模擬來預測量子技術中有用的自旋缺陷的形成過程。由朱利亞-加利領導的芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究人員進行了一項計算研究，預測了在碳化矽中產生特定自旋缺陷的必要條件。這些研究結果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上，標誌著在建立自旋缺陷製造參數方面邁出了重要一步，而自旋缺陷具有推動量子技術進步的潛力。

研究人員確定了在碳化矽中產生特定自旋缺陷的計算策略，為量子技術進步鋪平了道路。他們的研究結果主要集中在二價自旋缺陷的形成上，這表明還需要做更多的工作來推廣這種方法。這項研究對量子資訊和感測應用至關重要，並得到了實驗人員的密切合作和能源部的資助。圖片來源：Emmanuel Gygi 提供。圖中部分內容改編自Christoph Dellago 和Peter G. Bolhuis, Adv. Poly. 科學》，《施普林格出版社》（2008 年）。

量子機制與當前挑戰

半導體和絕緣體中的電子自旋缺陷是量子資訊、感測和通訊應用的豐富平台。缺陷主要源自固體中的雜質和/或錯位原子，與這些原子缺陷相關的電子帶有自旋。這種量子力學特性可用於提供可控制的量子位元，即量子技術中的基本操作單元。

然而，人們對這些自旋缺陷的合成（通常是透過植入和退火過程在實驗中實現的）還不甚了解，更重要的是，還無法完全優化。碳化矽是一種極具吸引力的自旋量子位元宿主材料，因其具有工業可用性，但迄今為止，不同的實驗在製造所需的自旋缺陷方面得出了不同的建議和結果。

計算之旅和發現

分子工程與化學教授加利是這篇新論文的通訊作者，他說：”目前還沒有一種明確的策略，可以按照我們想要的精確規格設計自旋缺陷的形成，這種能力對於推動量子技術的發展非常有利。因此，我們開始了漫長的計算之旅，並提出了以下問題： 我們能否透過進行全面的原子模擬來了解這些缺陷是如何形成的？”

加利的團隊，包括小組的博士後研究員張存志和加州大學戴維斯分校計算機科學教授弗朗索瓦·吉吉結合多種計算技術和算法，預測了碳化矽中被稱為”空位”的特定自旋缺陷的形成。

空位是透過移除碳化矽固體中相鄰的一個矽原子和一個碳原子而產生的。從先前的實驗中了解到，這類缺陷是很有希望的感測應用平台。

量子感測可以實現磁場和電場的探測，也能揭示複雜的化學反應是如何發生的，這些都是當今技術無法實現的。加利說：”要在固態中釋放量子感測能力，我們首先需要能夠在正確的位置創造出正確的自旋缺陷或量子比特。”

為了找到預測特定自旋缺陷形成的方法，加利和她的團隊結合了幾種技術，幫助他們觀察缺陷形成時原子和電荷的運動與溫度的函數關係。

團隊量子模擬中使用的第一原理分子動力學程式碼Qbox 的主要開發者Gygi 說：”通常情況下，當自旋缺陷產生時，其他缺陷也會出現，這些缺陷可能會對自旋缺陷的目標傳感能力產生負面乾擾。這樣一來，能夠充分理解缺陷形成的複雜機制非常重要。 “

技術與預測

研究小組將Qbox 代碼與中西部計算材料綜合中心（MICCoM）開發的其他先進採樣技術相結合，該中心是一個計算材料科學中心，總部設在阿貢國家實驗室，由能源部資助，Galli 和Gygi都是中心的高級研究員。

加利說：「我們的綜合技術和多重模擬向我們揭示了在碳化矽中高效、可控地形成二價自旋缺陷的特定條件。在我們的計算中，我們讓基本物理方程式告訴我們缺陷形成時晶體結構內部發生了什麼事”。

未來方向與合作

研究小組預計，實驗人員將有興趣使用他們的計算工具來設計碳化矽和其他半導體中的各種自旋缺陷，但他們也提醒說，要推廣他們的工具來預測更廣泛的缺陷形成過程和缺陷陣列還需要做更多的工作。加利說：”但我們提供的原理證明非常重要–我們證明了可以透過計算來確定產生所需自旋缺陷所需的一些條件。”

接下來，她的團隊將繼續努力擴大他們的計算研究，並加快他們的演算法。他們也希望擴大研究範圍，納入一系列更現實的條件。”在這裡，我們只研究塊狀樣品，但在實驗樣品中，存在表面、應變和宏觀缺陷。我們希望在未來的模擬中加入這些因素，特別是了解表面如何影響自旋缺陷的形成。”

雖然她的團隊是在計算研究的基礎上取得的進展，但加利說，他們的所有預測都植根於與實驗人員的長期合作。”如果沒有我們所處的生態系統，沒有與實驗人員的不斷交流和合作，這一切都不會發生。”