Анализ данных
выявил новые материалы
для выхода
квантовых вычислений
из лабораторных яслей.
Квантовые технологии обещают революцию во многих сферах: от сверхчувствительных датчиков до мощных компьютерных систем нового поколения. В основе таких технологий лежат особые спиновые состояния, свойственные кубитам. Эти состояния чрезвычайно хрупки: под воздействием окружающей среды спин может измениться мгновенно, и эти изменения непредсказуемы. Однако существуют методы удержания спина в необходимом состоянии. Вы не сможете удерживать его сколь угодно долго — речь на самом деле идёт о микро- или, в лучшем случае, о милисекундах. Для удобства отслеживания стабильности кубита учёные ввели параметр время когерентности спина, которое и означает промежуток времени, в течение которого кубит сохраняет квантовое состояние.
Кубиты любят тишину, и одна из причин, по которым они теряют когерентность, — шум, возникающий из-за ядерных изотопов и других помех в материале. Здесь на помощь приходят двумерные материалы — ультратонкие плёнки толщиной всего в несколько атомов, которые иногда называют монослоями. Они по своей природе содержат меньше шумящих изотопов, благодаря чему создают «тихую» и стабильную среду для кубитов.
Учёные из Чикагского университета разработали новую вычислительную стратегию, которая позволяет быстро и точно оценивать время когерентности спина в тысячах двумерных материалов и их сочетаниях с подложками. Ключевой метод — кластерное корреляционное расширение, мощный инструмент моделирования взаимодействия ядерных спинов с электронами в материале. Проанализировав 1172 варианта монослоёв, исследователи выявили 189 перспективных материалов со временем когерентности более одной миллисекунды. Этот результат превосходит даже эталон для спиновых кубитов, которым считается алмаз.
Особенно выделились материалы на основе дисульфида вольфрама (WS₂) и оксиселенидов золота. В них мало ядер с сильным магнитным моментом, а многие атомы представлены безспиновыми изотопами, что существенно снижает декогеренцию (разрушение кубита). Благодаря этим особенностям прогнозируемое время когерентности достигает десятков миллисекунд — выдающийся результат для твёрдых тел.
Но кубиты в реальных устройствах не существуют в изоляции: двумерные материалы крепят к подложкам. Комбинация влияет на стабильность кубитов, и здесь выбор подложки играет ключевую роль. Исследование охватило более 1500 пар «2D-материал + подложка» и показало, что некоторые подложки, например оксиды церия (CeO₂) и кальция (CaO), с низким ядерным шумом помогают сохранить длительное время когерентности даже в гетероструктурах.
Для масштабного поиска новых материалов учёные также создали аналитические модели, которые быстро оценивают влияние структуры и состава на время когерентности без сложных и ресурсоёмких вычислений. С их помощью удалось расширить базу кандидатов на 5000 дополнительных двуатомных материалов, из которых более 500 показали высокий потенциал для квантовых технологий.
Таким образом у исследователей получилось создать системный аналитический подход, основанный на данных, к поиску и проектированию новых квантовых материалов. Вместо долгих экспериментов и случайных открытий теперь можно рационально исследовать тысячи вариантов и создавать стабильные, масштабируемые квантовые устройства. В перспективе это позволяет привлечь генеративные модели ИИ к созданию совершенно новых двумерных материалов, специально оптимизированных под требования квантовой когерентности.
Это означает, что потенциал двумерных материалов далеко не исчерпан и может стать основой для будущих прорывных устройств с уникальными свойствами. Продемонстрированное расширение горизонтов квантовых вычислений позволяет инженерам вновь предвкушать скорый перехода квантовых технологий от лаборатории к реальным коммерческим устройствам.