氧化钙的量子秘密几乎无噪声的量子比特

氧化钙是一种廉价的白垩质化合物，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瑞典合作者利用理论和计算方法，发现嵌入固体氧化钙中的微小、孤立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基石。这些量子比特今天在《自然通讯》杂志上发表。

“该系统的性能甚至比我们预期的还要好，”普利兹克分子工程与化学系刘氏家族教授、新研究的资深作者朱莉娅·加利(GiuliaGalli)表示。“它的噪音水平极低，可以长时间保存信息，而且不是用昂贵的材料制成的。”

量子比特是量子计算中编码数据的基本信息单位。如今，研究人员已经开发出许多不同类型的量子比特，它们通常由半导体材料中的微小点缺陷组成。

这些缺陷的某些特性可用于存储信息。然而，许多现有的量子比特极其脆弱;它们周围的电子或磁性“噪声”可以改变它们的属性，抹去其中编码的任何信息。

2022年，日本科学家与DavidAwschalom和Galli团队合作，模拟了12,000多种材料的特性，以发现可能包含有希望充当量子比特的缺陷的新潜在固体。这项研究发现，氧化钙是众多可能包含量子比特的材料之一，这些量子比特可以在极长的时间内以极低的噪声水平编码信息。

“我们之前的研究告诉我们，如果能找到结构中合适的缺陷，氧化钙将成为存储量子信息的完美媒介，”加利研究小组的博士后研究员、论文作者之一尼基塔·奥尼祖克(NikitaOnizhuk)说道。“所以我们的新目标是找到理想的缺陷。”

在这篇新论文中，加利和她的同事使用了近年来建立的一系列计算方法，筛选了氧化钙中9,000多种不同的缺陷，以确定它们是否具有作为量子比特的潜力。结果指向了一种缺陷——锑、铋或碘原子嵌入在构成氧化钙的钙和氧的常见结构中。

“我们从来没有想到这些缺陷竟然如此有前景，”林雪平大学的乔尔·戴维森(JoelDavidsson)说道，他是这篇论文的第一作者，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采用彻底且公正的筛选程序。”

随后，加利团队通过建模方法表明，氧化钙中的铋缺陷理论上可以编码数据，噪声很小，持续时间相对较长(数秒，而许多量子比特的相干性则为几毫秒)。由于该材料的折射率及其发射光子的能力，它还具有与电信设备良好结合的潜力。

加利和他的同事们目前正在与实验小组合作，制造基于氧化钙的材料并测试预测是否正确。

加利表示：“我们还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景。”