Квантовые материалы в свете нового инструмента: как ученые изучают квантовые состояния

Квантовые технологии — это одно из самых перспективных и захватывающих направлений современной науки. Они основаны на использовании квантовых состояний — таких, как суперпозиция и запутанность — для обработки, передачи и хранения информации. Квантовые технологии обещают революционизировать области, такие как вычисления, связь, криптография, сенсорика и метрология.

Однако для реализации квантовых технологий необходимы специальные материалы, которые могут поддерживать и управлять квантовыми состояниями. Такие материалы называются квантовыми, и их изучение и разработка являются одной из главных задач молекулярной инженерии.

Квантовые материалы — это твердые вещества, в которых атомы упорядочены в определенную решетку. В этих материалах могут возникать маленькие дефекты — например, отсутствует атом или один атом заменен на другой. Эти дефекты могут обладать квантовыми свойствами и служить в качестве кубитов — основных единиц информации в квантовых технологиях.

Кубиты — это квантовые системы, которые могут находиться в суперпозиции, то есть двух состояниях — 0 и 1 одновременно. Кубиты могут взаимодействовать с окружающей средой и менять свои состояния под воздействием различных факторов, таких как электрическое, магнитное или оптическое поле.

Одним из наиболее важных и интересных факторов является свет. Свет — это поток фотонов — квантов электромагнитного излучения. Свет может поглощаться и излучаться кубитами, вызывая их переход из одного состояния в другое. Этот процесс называется оптическим возбуждением и релаксацией.

Оптическое возбуждение и релаксация кубитов — это ключевые механизмы для их управления и измерения. С помощью света можно создавать, манипулировать и считывать квантовую информацию, а также изучать свойства квантовых материалов. Свет — это то, что позволяет нам «допросить» квантовые материалы и раскрыть их тайны.

Но как точно описать и предсказать, как свет взаимодействует с квантовыми материалами? Как учесть все сложности и особенности атомной структуры и квантовой динамики? Как справиться с огромным количеством вычислений, необходимых для решения такой задачи?

На эти вопросы пытаются ответить ученые из Школы молекулярной инженерии Прицкера Университета Чикаго (PME), Национальной лаборатории Аргона, Университета Модены и Реджио-Эмилии. Они разработали новый вычислительный инструмент, который позволяет описывать, как атомы в квантовых материалах ведут себя при поглощении и излучении света.

Этот инструмент называется WEST-TDDFT (Without Empty States—Time-Dependent Density Functional Theory) и является частью программного пакета с открытым исходным кодом WEST, созданного в Центре компьютерных материалов Среднего Запада (MICCoM) под руководством профессора Марко Говони. Он помогает ученым лучше понимать и создавать новые материалы для квантовых технологий.

«Мы расширили возможности ученых изучать эти материалы для квантовых технологий», — сказала Джулия Галли, профессор молекулярной инженерии семьи Лью и старший автор статьи, опубликованной в Journal of Chemical Theory and Computation. «Теперь мы можем изучать системы и свойства, которые раньше были недоступны в большом масштабе».

WEST-TDDFT основан на теории функционала плотности (DFT) — одном из самых мощных и широко используемых методов квантовой химии и физики твердого тела. DFT позволяет рассчитывать энергию и электронную структуру атомных систем, используя понятие плотности электронов — среднего распределения электронов в пространстве.

Однако DFT имеет свои ограничения и недостатки. Один из них — это трудность учета временной зависимости квантовых систем, которая возникает при взаимодействии со светом. Для этого нужно использовать расширение DFT — теорию функционала плотности, зависящего от времени (TDDFT).

TDDFT позволяет рассчитывать спектры поглощения и излучения света квантовыми системами, а также их динамику в возбужденных состояниях. Однако TDDFT также имеет свои сложности и проблемы. Одна из них — это необходимость учитывать так называемые пустые состояния — энергетические уровни, на которые электроны могут переходить при поглощении света, но которые не заняты в основном состоянии.

Пустые состояния существенно увеличивают количество вычислений, которые необходимы для решения уравнений TDDFT. Это делает метод TDDFT очень ресурсоемким и трудно применимым к большим и сложным системам, таким как квантовые материалы с точечными дефектами.

Здесь на помощь приходит новый инструмент WEST-TDDFT, разработанный командой Галли. Он позволяет решать уравнения TDDFT без учета пустых состояний, используя специальный алгоритм, основанный на теории возмущений. Этот алгоритм позволяет существенно сократить количество вычислений, не теряя в точности.

Кроме того, WEST-TDDFT может работать на разных типах вычислительных архитектур — центральных процессорах (CPU) и графических процессорах (GPU). Это дает возможность использовать различные ресурсы и платформы для решения задачи, в зависимости от доступности и эффективности.

Команда Галли продемонстрировала работоспособность и точность WEST-TDDFT на примере трех полупроводниковых материалов — алмаза, 4H-карбида кремния и оксида магния. В этих материалах присутствуют точечные дефекты, которые могут быть использованы в качестве кубитов для квантовых технологий. Ученые рассчитали спектры поглощения и излучения света этими дефектами, а также их энергетические уровни и жизненные циклы в возбужденных состояниях.

Результаты, полученные с помощью WEST-TDDFT, согласовались с экспериментальными данными и другими теоретическими методами, но при этом потребовали значительно меньше времени и памяти. Команда Галли показала, что WEST-TDDFT может эффективно и точно решать задачу оптического возбуждения и релаксации кубитов в квантовых материалах, даже если эти материалы состоят из сотен или тысяч атомов.

Новый инструмент WEST-TDDFT является важным шагом в развитии квантовых технологий. Он открывает новые возможности для изучения и проектирования квантовых материалов, которые могут быть ближе к реальным условиям и приложениям. Он также способствует расширению научного сообщества, занимающегося этой областью, так как он доступен в открытом доступе и может работать на разных платформах.

Команда Галли продолжает улучшать и применять WEST-TDDFT и другие методы, доступные в пакете WEST, для изучения широкого класса материалов, не только для квантовых технологий, но и для других направлений, таких как низкопотребляющие и энергетические приложения.

«Мы нашли способ решить уравнения, описывающие излучение и поглощение света более эффективно, так что они могут быть применимы к реалистичным системам», — сказал Говони. «Мы показали, что метод одновременно эффективен и точен».

Кроме разработки нового инструмента, лаборатория Галли также занимается изучением и созданием новых квантовых материалов. В этом месяце они опубликовали новые результаты, в которых исследовали, как поведение спиновых дефектов зависит от их расположения относительно поверхности материала. Они обнаружили, что дефекты, близкие к поверхности, отличаются от тех, которые глубже в материале, в зависимости от типа поверхности. Эти результаты имеют значение для проектирования квантовых датчиков, которые основаны на спиновых дефектах.

Также недавно они опубликовали статью в журнале npj Computational Materials, в которой рассмотрели свойства ферроэлектрических материалов, используемых в нейроморфных вычислениях. Эти материалы имеют способность изменять свою поляризацию под воздействием электрического поля и могут быть использованы для создания искусственных нейронов и синапсов.