Първият в света спин кубит от цинков оксид

Международен екип начело с проф. Хосунг Со от Sungkyunkwan University (SKKU) в Южна Корея обяви, че е идентифицирал първия в света „спин кубит от цинков оксид” — атомен дефект в полупроводника цинков оксид (ZnO), който може да съхранява квантова информация около 4 милисекунди и да работи дори при стайна температура. Резултатите излизат на 24 юли 2026 г. в PRX Quantum, едно от водещите списания в квантовата информатика, а работата е дело на SKKU заедно с University of Wisconsin–Madison и University of Washington.

Какво представлява устройството

Кубитът е най-малката единица информация в квантовия компютър — квантовият аналог на класическия бит. „Спин кубит” кодира тази информация в спина (собствения магнитен момент) на един-единствен електрон, уловен в дефект в кристалната решетка.

Екипът не е синтезирал устройството в лаборатория, а го е проектирал и предсказал чрез квантови симулации от първи принципи на суперкомпютри. Изследователите систематично прегледали кандидат-дефекти през цялата периодична таблица и стигнали до т.нар. „молибден–кислородно-ваканционен комплекс”: атом молибден (Mo) заема мястото на цинков атом точно до липсващ кислороден атом. Точно този дефект — означаван като (MoZn·vO)²⁺ — има спин-триплетно основно състояние и оптични преходи във видимия диапазон, което позволява той да се управлява и разчита със светлина.

Защо цинковият оксид е обещаващ

Досегашният еталон за спин дефекти са т.нар. азот-ваканционни центрове в диаманта. Те работят добре, но диамантът е скъп, труден за отглеждане в свръхчиста форма и практически невъзможен за масово производство със стандартните полупроводникови процеси.

Цинковият оксид решава точно тези проблеми. Той е:

• „Магнитно тих” — съдържа почти никакви ядрени спинове, които обикновено разрушават квантовото състояние. Именно затова кубитът запазва кохерентност около 4 ms дори при наличие на магнитен шум наоколо.
• Достъпен за свръхчисти кристали — може да се отглежда с изключителна чистота.
• Ярък и „чист” излъчвател — новооткритият дефект има много нисък фактор на Huang-Rhys (около 5 срещу 10–30 при други дефекти в ZnO), тоест губи минимално енергия за трептения на решетката и излъчва остра светлина във видимия диапазон.

Силното спин-орбитално взаимодействие пък прави възможен т.нар. high-fidelity single-shot readout — надеждно разчитане на състоянието на кубита от едно измерване, без хилядократно повтаряне.

Как това приближава мащабируемите квантови компютри

Големият проблем на квантовите компютри не е да се направи един кубит, а хиляди и милиони — свързани, коригируеми и произведени по повторяем начин. Тук идва главното предимство на ZnO: той е познат материал в индустрията за полупроводници и се обработва със същите зрели технологии, с които се правят класически чипове.

Това означава, че кубитите биха могли да се интегрират директно в утвърдени производствени линии, вместо да изискват екзотична и трудно мащабируема платформа. По думите на екипа откритието отваря път към „интегрирана, мащабируема платформа” за квантови светлинни източници, квантови сензори и квантови мрежи. Надеждният single-shot readout е ключов и за квантовата корекция на грешки — без нея голям квантов компютър е немислим.

„Тази работа е първата, която показва, че устойчив, дълбоко разположен спин кубит е възможен в цинковия оксид — представителен оксиден полупроводник”, коментира проф. Со.

Предимства спрямо досегашните платформи

• Спрямо диаманта (NV центрове): същият тип оптично управляем спин кубит, но в материал, който реално може да мине през стандартна полупроводникова фабрика.
• Спрямо свръхпроводящите кубити (каквито ползват IBM и Google): те изискват охлаждане близо до абсолютната нула, докато електронните спинове в тези точкови дефекти могат да работят при стайна температура.
• Спрямо йонните капани: потенциал за интеграция върху чип, вместо обемни вакуумни и лазерни системи.

Какво следва

Важно е да се подчертае: засега това е теоретично предсказание, потвърдено със симулации, а не готов чип. Следващата стъпка е дефектът да бъде синтезиран експериментално и измерените му свойства да съвпаднат с изчисленията. Ако това стане, цинковият оксид може да се превърне в сериозен кандидат за строителен материал на бъдещите квантови процесори — този път изграден върху технология, която индустрията вече владее.