論文の概要: Strategies to search for two-dimensional materials with long spin qubit coherence time

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.00222v1
• Date: Fri, 29 Aug 2025 20:12:14 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-04 15:17:03.134354
• Title: Strategies to search for two-dimensional materials with long spin qubit coherence time
• Title（参考訳）: 長いスピン量子コヒーレンス時間を持つ二次元材料探索法
• Authors: Michael Y. Toriyama, Jiawei Zhan, Shun Kanai, Giulia Galli,
• Abstract要約: 長いスピンコヒーレンス時間(T2)を持つ量子ビットをホストできる2次元(2D)材料は、既存のマイクロエレクトロニクスやフォトニックプラットフォームと容易に統合できるという明確な利点を持つ。 そこで我々は,2次元材料およびヘテロ構造における核スピン浴駆動量子ビットデコヒーレンスとT2を予測するための高スループット計算ワークフローを開発した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.6904289776156265
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Two-dimensional (2D) materials that can host qubits with long spin coherence time (T2) have the distinct advantage of integrating easily with existing microelectronic and photonic platforms, making them attractive for designing novel quantum devices with enhanced performance. However, the relative lack of 2D materials as spin qubit hosts, as well as appropriate substrates that can help maintain long T2, necessitates a strategy to search for candidates with robust spin coherence. Here, we develop a high-throughput computational workflow to predict the nuclear spin bath-driven qubit decoherence and T2 in 2D materials and heterostructures. We initially screen 1173 2D materials and find 190 monolayers with T2 > 1 ms, higher than that of naturally-abundant diamond. We then construct 1554 lattice-commensurate heterostructures between high-T2 2D materials and select 3D substrates, and we find that T2 is generally lower in a heterostructure than in the bare 2D host material; however, low-noise substrates (such as CeO2 and CaO) can help maintain high T2. To further accelerate the material screening effort, we derive analytical models that enable rapid predictions of T2 for 2D materials and heterotructures. The models offer a simple, yet quantitative, way to determine the relative contributions to decoherence from the nuclear spin baths of the 2D host and substrate in a heterostructural system. By developing a high-throughput workflow and analytical models, we expand the genome of 2D materials and their spin coherence times for the development of spin qubit platforms.
• Abstract（参考訳）: 長いスピンコヒーレンス時間(T2)を持つ量子ビットをホストできる2次元(2D)材料は、既存のマイクロエレクトロニクスやフォトニックプラットフォームと容易に統合できるという明確な利点がある。 しかし、スピン量子ビットホストとしての2D素材の相対的欠如と、長いT2を維持するのに役立つ適切な基質は、堅牢なスピンコヒーレンスを持つ候補を探索する戦略を必要とする。 本稿では,2次元材料およびヘテロ構造における核スピン浴駆動キュービットのデコヒーレンスとT2の予測を行う,高速な計算ワークフローを開発する。 当初は1173個の2D材料をスクリーニングし,T2>1msの単層膜を190個見つける。 次に,高T22D材料と選択3D基板間の格子状複合構造を1554個構築し,T2は平均2Dホスト材料よりも概してヘテロ構造において低いが,低ノイズ基板(CeO2やCaO)は高いT2を維持するのに役立つ。 さらに, 材料スクリーニングの取り組みを加速するために, 2次元材料およびヘテロトラクチャのT2の高速予測を可能にする解析モデルを導出する。 これらのモデルは、ヘテロ構造系における2Dホストと基板の核スピン浴からの脱コヒーレンスに対する相対的な寄与を、単純かつ定量的に決定する方法を提供する。 高スループットのワークフローと解析モデルを開発することにより、2次元材料のゲノムとスピンコヒーレンス時間を拡張し、スピン量子ビットプラットフォームを開発する。

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