美国研究人员开发预测量子计算材料的新方法

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加州大学圣克鲁斯分校的研究人员已经开发了新的预测材料自旋动力学的理论框架和计算工具，这是构建固态量子计算平台和基于自旋电子学的其他应用的关键。

自旋是电子和其他粒子的基本属性，在快速发展的自旋电子学领域中，使用自旋态的方式类似于在电子学中使用电荷。自旋可用作量子信息科学应用中的量子比特和单光子发射器的基础，包括量子计算、量子通信和传感。

量子比特可以从任何具有两能级的量子系统中产生，但挑战在于保持足够长的量子相干（量子状态之间的关系）时间，以便能操纵量子比特。退相干意味着来自系统的信息丢失，而自旋量子比特可以通过例如材料内部晶格振动与环境相互作用而失去相干。

加州大学圣克鲁斯分校的化学助理教授 Yuan Ping说：“量子信息科学的关键特性是自旋态的寿命，即自旋弛豫（spin relaxation）和退相干时间。” “对于量子信息应用，我们需要自旋弛豫时间长的材料。”

在6月3日发表于《自然通讯》上的一篇论文中，Yuan Ping和她在UCSC和伦斯勒理工学院的合著者提出了一个新的理论框架和计算工具，可以准确地预测任何材料的自旋弛豫时间，而这在以前是不可能的。

她说：“如今，人们只是制造一种材料，然后尝试它是否起作用。现在，我们具备了量子力学的预测能力，这将使我们能够设计出具有我们想要的特性的材料，用于量子信息科学。” “如果你有一个有前途的材料，这可以告诉你如何改变它，使它更好。”

研究人员建立了根据第一性原理确定自旋动力学的方法，这意味着不需要实验测量的经验参数即可进行计算。他们还表明，他们的方法可推广到具有完全不同的晶体对称性和电子结构的不同类型的材料。

例如，他们准确地预测了诸如硅、铁磁铁和石墨烯之类的中心对称材料以及诸如二硫化钼和氮化镓之类的非中心对称材料的自旋弛豫时间，突出了他们的方法对广泛量子材料的预测能力。

通过实现合理的材料设计，而不是盲目搜索并通过实验测试各种材料，这些新方法可以使量子信息技术领域得到迅速的发展。

（本文由本源量子编译，原文来自Phys.Org）