“空位”是你在公路旅行中搜索酒店房间时想要看到的标志。说到量子材料，空位也是你想看到的。科学家通过去除晶体材料中的原子来制造它们。这样的空位可以作为量子比特(或称量子比特)，它是量子计算的基本单位。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室和芝加哥大学的研究人员最近取得了一项突破，应该能有助于为大大改善半导体碳化硅中的空位形成。

半导体是手机、电脑、医疗设备等大脑的背后材料。对于这些应用，以空位形式存在的原子级缺陷是不可取的，因为它们会干扰性能。然而，根据最近的研究，碳化硅和其他半导体中的某些类型的空位显示出了在量子器件中实现量子比特的前景。

量子比特的应用可能包括不可破解的通信网络和能够检测单个分子或细胞的超灵敏传感器。未来还有可能出现能够解决传统计算机无法解决的复杂问题的新型计算机。

芝加哥大学分子工程和化学教授Giulia Galli说：“科学家们已经知道如何在碳化硅和金刚石等半导体中产生具有量子比特价值的空位。但对于实际的新量子应用，他们仍然需要更多地了解如何定制具有所需特征的这些空位。”

在碳化硅半导体中，去除晶格中的单个硅和碳原子后会出现单个空位。重要的是，碳空位可以与相邻的硅空位配对。这种成对的空位被称为双空位，是碳化硅中量子比特的关键候选者。但问题是现在将单个空位转换为双空位的产率很低，只有几个百分点。科学家正在竞相开发提高产量的途径。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的博士后研究员Elizabeth Lee解释说：“要在样品中产生实际缺陷，你需要向它发射一束高速电子，这会敲除掉单个原子。但电子轰击也会产生不需要的缺陷。”

科学家可以随后在700摄氏度以上的极高温度下处理样品，然后将其再次冷却至室温来修复这些缺陷。但是需要在开发过程中使用某种诀窍，能将想要的缺陷保留并修复不需要的缺陷。

Lee说：“通过使用高性能计算机在原子尺度上进行计算机模拟，我们可以观察样品中的缺陷在不同温度下随时间发生的形成、移动、消失和旋转。这是目前无法通过实验完成的事情。”

在复杂计算工具组合的帮助下，该团队用模拟跟踪了单个空位与双空位的配对。他们的努力收获了重要的发现：一是，在热处理开始时硅空位相对于碳空位的数量越多，随后的双空位就出现的越多；另一个是确定了能产生稳定双空位和能改变它们在晶体结构内的取向而不破坏它们的最佳温度。这些应该能为新的量子设备铺平道路。

科学家或许能够利用后一种发现将所有双空位的方向对齐到同一方向。这对于能够以当今传感器分辨率许多倍的方式运行的量子传感应用来说，这将是非常理想的。

“一个完全出乎意料和令人兴奋的发现是空位可以转化为一种全新的缺陷，”Lee补充道。这些新发现的缺陷由两个碳空位与所谓的“反位点”组成。这是一个碳原子填补了由于去除硅原子而留下的空位位置。

由美国能源部资助的中西部计算材料综合中心(MICCoM)开发的新模拟算法和计算机代码使该团队的模拟成为可能，该中心总部位于阿贡，由Galli领导。材料科学部的高级科学家兼芝加哥大学分子工程教授Juan de Pablo开发了这一新算法，这些算法是基于机器学习(一种人工智能形式)的概念。

de Pablo说：“半导体中空位或缺陷的形成和运动是我们所说的罕见事件。此类事件发生的时间尺度太长，无法在传统的分子模拟中进行研究，即使是在地球上最快的计算机上也是如此。至关重要的是，我们必须开发新的方法来促进这些事件的发生而不改变基础物理学。这就是我们的目标。算法做到了，它们使不可能的变为可能。”

Lee在中西部计算材料综合中心的科学家Galli和de Pablo的工作基础上耦合了各种代码。多年来，其他几位科学家也参与了代码耦合，包括加州大学戴维斯分校的Francois Gygi和圣母大学的Jonathan Whitmer。结果是产生了一个重要且强大的新工具集，它结合了量子理论和模拟，能用于研究空位的形成和行为。这不仅适用于碳化硅材料，还适用于其他有前途的量子材料。

Galli教授说：“我们才刚刚开始。我们希望能够更快地进行计算，模拟更多的缺陷，并确定不同应用程序能使用的最佳缺陷。”（编译:Qtech）