2026年6月10日——在2026年6月3日发表于《PRX Quantum》期刊的一篇论文中，材料科学与工程系（MS&E）副教授袁萍与威斯康星大学麦迪逊分校的研究生张志敏、埃里克·佩雷斯和柯君丽合作，利用其实验室开发的一套复杂的预测工具，识别出一种用于深能级缺陷量子比特的理想候选材料。这种材料有助于扩展固态量子信息科学的材料基础。

量子比特是量子计算与传感中的基本信息单元。这些粒子必须通过先进的物理系统进行存储和编码，以保护其免受外界干扰。其中一种策略是将量子粒子嵌入材料中的缺陷或空位中心——即原子被移除的位置。包括金刚石、碳化硅和六方氮化硼在内的少数材料中的空位中心，目前正被研究作为量子比特的载体。

另一种近期被识别出的有前景的载体材料是氧化锌，它具有若干优势：可以制造出极高纯度的材料，磁噪声较低，并且可以通过施加应力来调节其量子态。

氧化锌已能承载浅施主量子比特，但这些量子比特依赖于弱束缚电子，仅在低温下工作，并发射紫外光谱，这对于基于光纤的量子网络并不理想。氧化锌所欠缺的是深能级缺陷：一种紧密局域化的自旋三重态系统，能够在较高温度下运行并发射可用的可见光或近红外光。

然而，为了产生空位并作为量子比特载体，氧化锌需要与另一种元素结合形成复合体。通过实验来合成并分析这些氧化物复合体的所有可能变体将是昂贵且繁琐的。这就是袁萍和她的团队采用计算方法来解决问题的原因。他们应用了多年来开发的包括第一性原理工具在内的一套方法，专门解决了氧化锌中强电子关联这一难题。

他们评估了广泛的候选材料，寻找能够保护并支持长寿命量子态的氧化锌复合体。他们还评估了这些复合体支持高保真度、单次读出这一先进特性的能力——该特性允许在单次运行中读取量子态信息，而非像当前标准那样需要多次实验运行后取平均值。

袁萍表示：“你必须逐一检查一系列特性，首先广泛搜索具有正确自旋态的候选材料。然后我们评估热力学稳定性、光学特性、光谱特性和自旋相干性。最后，我们还需要测量与单次读出相关的动力学过程。”

预测模型的最终结果表明，包含钼空位的氧化锌复合体是在氧化锌中产生所需深能级缺陷量子比特的理想候选材料。该复合体在基态下为自旋三重态，具有高量子产率的可见光范围光学跃迁，并且表现出异常小的黄-里斯因子（约5），而其他已知氧化锌缺陷的黄-里斯因子为10至30。

简而言之，当该缺陷吸收或发射光子时，其原子结构几乎不发生重排，从而产生尖锐的零声子线和高质量的光学寻址能力。关键在于，强烈的自旋-轨道耦合与不存在杨-泰勒畸变相结合，产生了自旋选择性系间交叉，这应能在广泛的磁场范围以及较高温度下——不仅限于低温恒温器——支持高保真度单次读出。

实验研究人员已合成该材料，并将很快开始测量其性质以验证这一预测。尽管钼空位复合体可能带来新的量子比特和量子技术的进步，但袁萍表示，论文中展示的计算过程与结果同样重要，甚至更为重要。

“理想的状况是建立一种预测理论：你先给出输入，然后让实验人员去验证，”袁萍指出，目前的情况通常是相反的：理论和预测往往被用来解释和完善实验结果。“我们的目标是真正拥有一个可以指导实验的模型，而不仅仅是解释实验。”

该工作还指出了氧化物量子比特路线图中一个未被充分认识的瓶颈：一旦同位素纯化的氧化锌可用，顺磁性杂质（而非核自旋）很可能会设定相干性的上限。为该上限设定一个量化阈值，为材料生长者提供了具体的目标。

如果筛选框架具有普适性，同样的逻辑可以应用于其他氧化物和氮化物载体，从而加速寻找更易于集成、与现有半导体工艺兼容性更好，或者性能优于当前研究系统的量子比特。