北京
量子材料的搜索过程极其缓慢，因为这涉及计算密集型的模拟。
大阪大学的科学家开发了一种新的预测框架，能够准确评估材料是否具有量子特性，而无需进行复杂且耗时的模拟。这一基于第一性原理的框架适用于不同材料类型且不损失准确性，从而极大加速了新量子材料的探索进程。
科学技术的进步正将我们带入量子时代。在这个时代，科学家可以利用纠缠和叠加等特性来实现远超经典物理学所能解释的功能。我们已经看到这些特性被应用于量子传感、量子通信甚至量子计算领域，但在这些技术上我们才刚刚触及皮毛。
要迎来一个全面发展的量子时代，我们仍需探索和发现展现这些量子特性并可用于此类应用的新材料。然而，寻找这类量子材料的过程极其缓慢。通常，这需要评估材料是否表现出量子特征并发射量子光，且需要计算密集型的模拟。
大阪大学的研究人员运用第一性原理思维来避免这些高强度计算，并开发了一个用于识别量子材料的新框架。
围绕色心展开研究
在量子技术的大部分研究中，科学家们借助色心——即晶体中吸收特定波长光线并呈现出鲜艳色彩的缺陷。通常，晶体中心存在一个缺陷，如缺失的离子，该位置由未配对电子填充，或通过组合作用呈现出这些色彩图案。
这类晶体如今相对容易制造，可用于各类量子应用。它们的重要性还在于能够保存量子信息，同时仍能发射单个光子。科学家们在验证其效率方面一直面临困难，因为这需要复杂计算来确定有多少能量以晶体内部振动的形式损失，而不是以光的形式发射出去。
这些复杂的计算既密集又缓慢，对量子材料发现的整体进度产生了更大的影响。正因如此，研究团队决定摒弃复杂计算，用更简单、更快速的框架取而代之。
紧凑的理论公式
为了替代之前的方法，研究人员开发了一个紧凑的理论公式，可以计算由非辐射过程引起的复杂光学损耗，并引入了一种有效的近似方法。
该近似方法仍能确保结果与传统方法一致，但消除了大量计算的需求。为了证明其方法的有效性，研究人员使用碳化硅成功识别出了多个有前景的自旋量子比特候选材料，同时也识别出了传统方法已经发现的发射体。
“由于该预测方法不依赖于宿主材料，因此可以用于高效评估各种半导体中的色心，”参与这项研究的大阪大学研究员岩本宗介在新闻稿中解释道。
“它同样适用于从紫外波段到电信波段的广泛光谱范围内的发射体。”
利用一个简单的框架来识别明亮、高效的量子发射体，同时兼顾光发射和光学损耗，有望快速推动新量子材料的发现。
该研究成果发表在《npj Computational Materials》期刊上。
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