【摘要】 量子技术点缺陷的第一性原理计算

自从基于量子系统的计算机能够超越经典计算机的基本限制这一理论首次提出以来，人们就对表现出量子力学效应的系统的操作产生了浓厚的兴趣。到目前为止，已经有人提议在诸如计算、通信和计量等技术中使用量子效应。然而，将量子力学的独特性质应用于技术应用是非常具有挑战性的。

 

提出了系统和(不同区段)实现量子技术开发,包括原子、超导电路,和量子点半导体和绝缘体。点缺陷形成一个有前途的范式中,隔离和访问的常常矛盾的性质可以和好。关于半导体和绝缘体，我们指的是具有带隙的材料(不是金属)。半导体指的是Si、Ge、GaAs等通过掺杂可以很好地控制电导率的材料，而绝缘体指的是表现出很高电阻率的材料。传统上，这两类之间的划分是基于带隙的大小。然而，宽带隙(和超宽带隙)半导体领域的进展模糊了这一区别，一些带隙超过6ev的材料(如AlN或BN)的掺杂已经得到证实。

 

点缺陷可以作为嵌入材料介质中的人造原子，使它们彼此隔离，并在某种程度上与环境隔离;因此，它们不需要复杂的隔离技术，如离子阱或光学晶格，就可以展示孤立原子的量子特性。固态缺陷框架也有利于可扩展性和集成到设备中，从数十年的点缺陷研究中积累的知识可以用于设计、制造、识别和操纵。点缺陷的应用已经在一些量子技术中得到了证明，例如用于量子计算的量子比特，用于量子通信的单光子发射器(spe)，以及用于量子计量的纳米级传感器。它们的进一步发展仍然面临重大的基础和技术挑战，包括对满足量子应用必要标准的候选缺陷和宿主材料的有限探索，甚至在特征良好的缺陷中，对重要过程的理解也不完全。第一性原理计算为探索半导体和绝缘体中的缺陷特性提供了强大的工具。最先进的技术允许电子和原子结构的定量预测，以及光学和磁特性。这些预测与实验的比较使缺陷识别以及对设备应用适用性的评估成为可能。

 

半导体和绝缘体中的点缺陷形成了实现量子计算、通信和计量等量子技术的激励系统。缺陷提供了一个平台，该平台结合了维持量子态一致性所必需的环境隔离，以及执行电子和光学操作的能力。第一性原理计算在量子应用中识别、表征和发展缺陷方面起着至关重要的作用。

 

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