Quantumcomputers - een mogelijke toekomstige technologie die een revolutie teweeg zou brengen in de computerverwerking door gebruik te maken van de bizarre eigenschappen van kwantumbits, of qubits. Qubits zijn de kwantumanaloog van de klassieke computerbits "0" en "1". Technische materialen die als qubits kunnen functioneren, zijn technisch uitdagend. Met behulp van supercomputers, wetenschappers van de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory voorspelden mogelijke nieuwe qubits die zijn opgebouwd uit gespannen aluminiumnitride. Bovendien, de wetenschappers toonden aan dat bepaalde nieuw ontwikkelde qubits in siliciumcarbide een ongewoon lange levensduur hebben.

Quantumcomputers kunnen veelgebruikte cryptografietechnieken doorbreken, doorzoek enorme datasets, en kwantumsystemen simuleren in een fractie van de tijd die de computers van vandaag nodig zouden hebben. Echter, ingenieurs moeten eerst de eigenschappen van kwantumbits benutten. Het ontwikkelen van nieuwe qubits met minder moeilijke methoden zou een van de belangrijke barrières kunnen verlagen voor het opschalen van kwantumcomputers van kleine prototypes naar grootschalige technologieën.

Een van de toonaangevende methoden voor het maken van qubits is het benutten van specifieke structurele atomaire defecten in diamanten. Het gebruik van diamanten is zowel technisch uitdagend als duur. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory een analoog defect in aluminiumnitride gesuggereerd, die de moeilijkheidsgraad en de uiteindelijke kosten van het vervaardigen van materialen voor kwantumcomputertoepassingen zouden kunnen verminderen.

Met behulp van de Edison- en Mira-supercomputers in respectievelijk DOE's National Energy Research Scientific Computing Center en Argonne National Laboratory, de onderzoekers ontdekten dat door spanning toe te passen op aluminiumnitride, ze kunnen structurele defecten in het materiaal veroorzaken die kunnen worden gebruikt als qubits die vergelijkbaar zijn met die in diamanten. Ze voerden hun berekeningen uit met behulp van verschillende theorieniveaus en de Quantum Espresso- en WEST-codes, de laatste ontwikkeld aan de Universiteit van Chicago.

Met de codes konden ze nauwkeurig de positie van de defectniveaus in de bandgap van halfgeleiders voorspellen. De onderzoekers werkten ook nauw samen met experimentatoren om de prestaties van qubits in industriële materialen te begrijpen en te verbeteren. Onlangs, ze toonden aan dat nieuw ontwikkelde qubits in siliciumcarbide veel langere coherentietijden hebben dan die van de meer gevestigde defect-qubits in diamant. Hun resultaten wezen op industrieel belangrijke polyatomaire kristallen als veelbelovende gastheren voor coherente qubits voor schaalbare kwantumapparaten.