npj: 点缺陷量子比特研究中自旋相关量的第一性原理计算

2018 年 12 月 31 日 知社学术圈

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近几十年来，人们在诸如量子信息处理和量子计算等各种远期应用中，在利用量子力学的各个重要方面，都已作出了相当大的努力。这些革命性应用方向的理念构件块，就是量子比特，它有可能是最简单的、只包含2个量子态的量子系统。在实践中，实现量子比特态的量子态必需与环境自由度隔离，同时它们还需通过不同的外部措施保持可控。要同时满足这些标准即为量子比特发挥作用的主要挑战之一。

量子比特已经在各种物理系统中得到了证明。半导体中基于点缺陷的量子比特是最近才实现的一个目标，其中常见的顺磁点缺陷自旋或相关的顺磁核自旋的产生，可由电场和磁场、微波辐射和光学手段来操纵其量子态。由于点缺陷量子比特的独到特性和半导体主体材料的特性，现有的点缺陷量子比特与其环境隔离良好。这导致人们即使在室温下也能观察到一般长相干时间和量子比特操作。例如，在同位素工程高纯度金刚石样品中，相干时间在室温下可超过毫秒。这些属性以及磁光调控的可能性，使得点缺陷量子比特（包括单个或整体的隔离量子比特）有望应用于诸多领域。例如，在纳米晶或纳米薄膜样品表面附近产生的点缺陷量子比特，可用作原子级温度、电场、应变传感器，以及即将用以彻底改变纳米计量的磁共振探针。较大样本中的点缺陷量子比特的整合，可用于极大增强灵敏度的微型室温传感器和陀螺仪，其中一些可很容易地集成到现有半导体电子设备中。量子光学器件被广泛研究用于量子信息处理和测试量子纠缠的重要方面。实际上，无缺陷的贝尔测试就首先是由点缺陷量子比特来证明的。基于硅的量子计算可用单点缺陷自旋和量子点来实现。此外，点缺陷量子比特还可用于使其附近的核自旋极化，因而这些核极化源的集合，便可导致主体材料的超极化，这便能用于核磁共振成像，使其灵敏度增强几个数量级。

点缺陷量子比特的质量（即自旋态操纵和读出的保真度，以及与环境自由度的解耦），决定了潜在应用的可能性和局限性。另一方面，点缺陷量子比特的质量还取决于半导体主体材料的性质和产生孤立电子或核自旋态的点缺陷。因此，了解和操控点缺陷量子比特及其应用，通常就转化为材料科学和材料工程的问题。考虑到这些领域的广泛多样性，未来点缺陷量子比特研究就有诸多潜在的方向。

从这个角度来说，计算在此类材料研究中发挥着至关重要的作用，因为计算具有显而易见的预测能力，从而可提供详细的物理图像。第一原理电子结构计算，极大地促进了对点缺陷量子比特相关材料的量化解释，引起了这一领域的快速发展。另一方面，新兴的研究方向通常需要开发新颖的计算方法和工具。具体而言，点缺陷量子比特研究需要高精度的电子结构计算，来揭示基态和激发态特性，以及各种环境条件下的多种衍生自旋特性。

来自瑞典Linköping大学物理、化学与生物学系的Viktor Ivády教授等，综述了半导体中固态量子比特在点缺陷电子结构和自旋相关量两方面的第一原理计算最新进展和最新应用。通过介绍该领域新近所取得的成就，他们强调了所需的更多研究，并指出了一些可能的新方向，以进一步提高计算方法的预测能力和应用范围。

该文近期发表于npj Computational Materials 4: 76 (2018)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

First principles calculation of spin-related quantities for point defect qubit research

Viktor Ivády,Igor A. Abrikosov & Adam Gali

Point defect research in semiconductors has gained remarkable new momentum due to the identification of special point defects that can implement qubits and single photon emitters with unique characteristics. Indeed, these implementations are among the few alternatives for quantum technologies that may operate even at room temperature, and therefore discoveries and characterization of novel point defects may highly facilitate future solid state quantum technologies. First principles calculations play an important role in point defect research, since they provide a direct, extended insight into the formation of the defect states. In the last decades, considerable efforts have been made to calculate spin-dependent properties of point defects from first principles. The developed methods have already demonstrated their essential role in quantitative understanding of the physics and application of point defect qubits. Here, we review and discuss accuracy aspects of these novel ab initio methods and report on their most relevant applications for existing point defect qubits in semiconductors. We pay attention to the advantages and limitations of the methodological solutions and highlight additional developments that are expected in the near future. Moreover, we discuss the opportunity of a systematic search for potential point defect qubits, as well as the possible development of predictive spin dynamic simulations facilitated by ab initio calculations of spin-dependent quantities.