大阪大學研發新預測框架 加速量子材料篩選過程

大阪大學的研究團隊建立了一套嶄新的預測框架，能夠在不執行繁複且耗時的模擬運算前提下，精準判斷材料是否具備量子特性。這套以第一性原理為基礎的框架，可適用於不同類型的材料，同時維持預測準確度，為發掘全新量子材料的工作注入強大動能。隨著科學與技術持續演進，人類正逐步邁入量子時代，科學家得以運用糾纏與疊加等特性，執行遠超古典物理所能解釋的功能。

量子感測、通訊以至量子運算等技術已相繼落地應用，但整體探索仍處於起步階段。要全面實現量子時代的願景，仍須持續發掘並研究具備量子特性的新材料。然而，尋找這類材料的過程極為緩慢，傳統作法是評估材料是否呈現量子特徵、能否發射出量子光，往往需要動用運算資源密集的模擬程序。為繞過高強度運算的限制，大阪大學的研究人員改採第一性原理思路，建立出可識別量子材料的新框架。

傳統方法的挑戰

在現行的量子技術研究中，科學家普遍藉助「色心」作為研究對象。色心屬於晶體缺陷，能夠吸收特定波長的光線並呈現鮮明色彩，其結構通常是在晶體中心存在離子缺失，再由不成對電子填入或與其他粒子結合，從而產生獨特的色彩圖案。這類晶體的製備日益成熟，亦可應用於各類量子場景，其重要性在於能夠保存量子資訊，並同時發射出單一粒子的光子。然而，過去要驗證其效能必須進行極為複雜的運算，以計算晶體內部振動所損耗的能量，這些運算既耗時又密集，對量子材料的發現進度構成明顯障礙。

新方法的優勢

為取代傳統的繁重運算流程，研究團隊設計出一套精簡的理論公式，用以計算非輻射過程所造成的光學損耗，並引入有效近似方法。這套近似方法既可確保結果與傳統方法保持一致，亦能省卻大量運算需求。為驗證方法可行性，研究人員以碳化矽作為測試對象，成功辨識出多個具潛力的自旋量子位元候選材料，同時亦辨識出傳統方法已知的發射體。研究人員 Sosuke Iwamoto 在新聞稿中表示，由於預測方法不受主體材料限制，因此能夠有效評估各類半導體中的色心，同時適用於從紫外光到通訊波長的廣泛光譜範圍。

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運用簡便框架識別出明亮且高效的量子發射體，並同時評估其發光特性與光學損耗，預期將大幅加快新量子材料的發現步伐。研究結果已發表於學術期刊 npj Computational Materials。

新預測框架對量子材料研究的影響

大阪大學的研究團隊所建立的預測框架，顯示出在量子材料篩選上的重大突破。傳統方法因為運算需求高而導致進展緩慢，這個新框架則能在不耗費大量運算資源的情況下，精準識別具量子特性的材料，從而加速量子技術的發展。隨著量子技術的應用日益廣泛，這項研究的成果不僅能改善材料篩選的效率，還有助於推動量子感測、通訊及運算等領域的進一步發展，對於未來科技的演變具有深遠意義。