Золотоискатель не промывает каждую горсть песка вручную. Сначала он просеивает породу через крупное сито, отбрасывая пустую гальку, и только потом тщательно промывает оставшийся концентрат. Примерно так же можно искать полезные дефекты в карбиде кремния — твёрдом кристалле, который уже стоит в силовой электронике, а в будущем может стать основой квантовых компьютеров.
Дефект — это точечное нарушение кристаллической решётки: либо пустое место, где не хватает атома, либо чужой атом, вставший на чужое место. Такие дефекты иногда мешают прибору работать, а иногда, наоборот, превращаются в кубиты — квантовые ячейки памяти, способные хранить и обрабатывать информацию. Проблема в том, что вариантов дефектов тысячи, а точный расчёт каждого на суперкомпьютере занимает часы или дни. Нужно сито.
Исследователи обучили три типа моделей: простую линейную регрессию, ядерную регрессию и нейросеть. Оказалось, что даже самая простая модель неплохо справляется, если правильно описать дефект. Лучше всего работало описание через атомные номера, расстояния, заряд и спин — без сложных расчётов электронной структуры. Для вакансий и замещений ошибка составила 0,437 эВ, а для междоузлий (лишних атомов, втиснутых между узлами) — 1,101 эВ, что хуже, но всё ещё полезно для грубого отбора.
Раньше казалось, что без полного расчёта структуры дефекта не обойтись: нужно было «расслабить» кристалл, то есть позволить атомам занять новые положения вокруг дефекта, а это дорого. Теперь стало ясно, что даже без релаксации можно получить разумные оценки. Такой подход снижает порог входа: не нужен огромный вычислительный кластер, достаточно обычного компьютера с обученной моделью.
Сито не заменяет промывку, но экономит силы. Золотоискатель по-прежнему тщательно проверяет то, что осталось после просеивания. Точно так же точные квантовые расчёты остаются последним словом, но теперь они достаются только перспективным кандидатам, а не тысячам случайных вариантов. И кто знает, может быть, следующий квантовый самородок уже прошёл через такое сито.
В 4H-SiC существует более 200 политипов, но именно 4H используется в большинстве коммерческих приборов. Точечные дефекты в нём могут излучать одиночные фотоны, что делает их кандидатами для квантовой криптографии.