Исследователь из Принстонской лаборатории физики плазмы при Министерстве энергетики США разработал вычислительный метод, который позволяет быстрее находить алмазные материалы, пригодные для квантовых компьютеров и высокочувствительных датчиков. Новый подход, описанный в журнале ACS Central Science, оценивает перспективные материалы без моделирования всей кристаллической структуры, что значительно сокращает вычислительные затраты.

Квантовые технологии требуют материалов, способных сохранять хрупкие квантовые состояния в практических условиях. Многие известные варианты работают только при экстремально низких температурах, тогда как некоторые свойства алмазов сохраняются при комнатной температуре. Это делает алмазные структуры перспективными для создания квантовых датчиков и компьютеров, которые в будущем смогут выполнять сложные расчёты быстрее обычных суперкомпьютеров.

Основой таких систем служат не идеальные кристаллы, а небольшие дефекты в их решётке, возникающие, когда атом углерода отсутствует, заменён другим элементом или происходит комбинация этих изменений. Атомы вокруг дефекта могут образовывать кубиты — базовые элементы для хранения и обработки квантовой информации. Однако точное моделирование их свойств обычно требует значительных вычислительных ресурсов.

Автор метода Марк Мартирез предложил выделять вокруг дефекта небольшой участок из 16–30 атомов и рассматривать его как отдельную молекулу. Это позволяет применять давно разработанные химические вычислительные методы, сохраняя точность и сокращая объём расчётов. С помощью новой схемы исследователи обнаружили перспективные дефекты с участием бора и кислорода: первые могут излучать ультрафиолетовый свет, а вторые — синий, тогда как широко изучаемые азотно-вакансионные центры дают красное свечение.

Различия в оптических свойствах могут позволить объединять несколько разновидностей кубитов в одном устройстве и управлять одной группой, не затрагивая другую. Исследование также показывает, что при создании квантовых материалов полезно сочетать физику твёрдого тела и химию. По замыслу учёных, такой подход способен помочь разрабатывать кубиты под конкретные задачи, а более точные квантовые расчёты молекул в перспективе могут поддержать фармацевтические и материаловедческие исследования.