大阪大学の研究チームは、複雑で時間のかかるシミュレーションを実行することなく、材料が量子特性を持つかどうかを正確に判断できる新しい予測フレームワークを構築しました。このフレームワークは第一原理に基づいており、さまざまなタイプの材料に適用可能で、予測の精度を維持しながら、新しい量子材料の発見に強力な推進力を与えます。科学と技術が進化し続ける中で、人類は徐々に量子時代に突入しており、科学者たちはエンタングルメントや重ね合わせなどの特性を利用して、古典物理学では説明できない機能を実行できるようになっています。
量子光源の選別は計算のボトルネックに直面
量子センサー、通信、さらには量子計算などの技術は次々と実用化されていますが、全体的な探索はまだ始まったばかりです。量子時代のビジョンを完全に実現するためには、量子特性を持つ新しい材料を引き続き発見し、研究する必要があります。しかし、このような材料を探すプロセスは非常に遅く、従来の方法では材料が量子特性を示すかどうか、量子光を発射できるかを評価するために、計算資源を大量に消費するシミュレーションプログラムを必要とします。高強度の計算の制約を回避するために、大阪大学の研究者たちは第一原理のアプローチを採用し、量子材料を識別するための新しいフレームワークを構築しました。
現在の量子技術研究において、科学者たちは一般的に「色心」を研究対象として利用しています。色心は結晶の欠陥であり、特定の波長の光を吸収し鮮やかな色を示します。その構造は通常、結晶の中心にイオンの欠損が存在し、対になっていない電子が埋め込まれるか、他の粒子と結合することで独特の色彩パターンを生成します。このような結晶の製造はますます成熟しており、さまざまな量子シーンに応用でき、その重要性は量子情報を保存し、同時に単一粒子の光子を発射できる点にあります。しかし、過去にはその性能を検証するために、結晶内部の振動によって失われるエネルギーを計算する非常に複雑な計算を行う必要があり、これらの計算は時間がかかり、密度が高く、量子材料の発見の進捗に明らかな障害をもたらしていました。
簡略化された公式が重いシミュレーションに代わる
従来の重い計算プロセスに代わるために、研究チームは非放射過程による光学損失を計算するための簡略化された理論公式を設計し、有効近似法を導入しました。この近似法は、結果が従来の方法と一致することを保証しつつ、大量の計算要求を省くことができます。方法の実行可能性を検証するために、研究者たちはシリコンカーバイドをテスト対象として使用し、複数の潜在的なスピン量子ビット候補材料を成功裏に識別し、同時に従来の方法で知られている発射体も特定しました。研究者のSosuke Iwamotoはプレスリリースで、予測方法が主体材料に制約されないため、さまざまな半導体中の色心を効果的に評価でき、紫外線から通信波長までの広範な光スペクトル範囲に適用できると述べています。
簡便なフレームワークを利用して明るく効率的な量子発射体を識別し、その発光特性と光学損失を同時に評価することで、新しい量子材料の発見のペースを大幅に加速することが期待されています。研究結果は学術誌npj Computational Materialsに発表されました。