2026年8月25日——寻找能够为未来量子技术提供动力的材料的进程正在加速，但识别最有前景的候选材料仍然极其缓慢。评估一种材料能否高效发射量子光需要进行计算密集型模拟，这使得筛选大量现有材料变得困难重重。

如今，大阪大学的研究人员克服了这一瓶颈，提出了一种预测方法，能够在不牺牲精度的前提下快速评估有前景的量子材料。他们建立了一个高速第一性原理框架，用于评估发射单光子并存储量子信息的原子尺度色心。该研究成果近期发表于《npj Computational Materials》期刊。

色心在量子通信、传感和计算等技术领域极具应用前景，因为它们能够发射单个光子，同时保持量子信息。然而，确定理想的候选材料颇具挑战性，因为评估其效率需要进行高难度计算，以确定有多少能量以晶格振动形式损失，而非以光的形式发射。传统上，量化这些损耗需要计算量极大的模拟，这严重阻碍了材料的发现。

与费力且昂贵的传统方法不同，新方法通过简化的理论表达式评估光学损耗，从而快速预测发光效率。

论文第一作者Sosuke Iwamoto表示：“要开发实用的量子技术，我们需要一种能够快速筛选大量候选材料的方法。我们的框架大幅简化了评估光学过程所需的计算，使搜索变得更加可行。”

研究团队推导出一个紧凑的理论公式来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以简化计算，从而突破了这一计算瓶颈。该方法用少量直接的能量评估取代了许多昂贵的计算，同时与传统方法保持了极佳的一致性。

论文资深作者Takuma Kobayashi解释道：“我们的方法旨在广泛适用，而非局限于单一材料体系。它为在多种半导体基底中发现高性能色心提供了实用路线图。”

研究团队通过筛选碳化硅——量子技术的主要平台——中的色心对该框架进行了验证。利用新方法，他们成功识别出几个有前景的自旋量子比特候选材料——其特征是具有足够高的自旋——同时还正确识别了已在实验中得到验证的发射体。

Iwamoto表示：“由于该预测方法不依赖于宿主材料，因此可用于高效评估多种半导体中的色心。它还适用于覆盖从紫外到通信波长等广泛光谱范围的发射体。”

通过综合考虑光发射和光学损耗，实现快速识别明亮、高效的量子发射体，这一新框架有望大幅加速量子通信、传感和计算技术所需材料的发现进程，使实用量子器件向现实迈进一大步。