芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究团队近日在《npj二维材料与应用》期刊上发表论文，提出了一种高通量计算策略，旨在系统性地筛选可用于量子技术的二维材料。该策略为寻找理想的二维材料及支撑基底提供了新的数据驱动方法。
量子比特的稳定性是其能否发挥作用的关键，常通过自旋相干时间衡量。二维材料因其原子级厚度可减少环境干扰，被视为量子比特的潜在理想载体。论文第一作者、博士后研究员Michael Toriyama指出：“由于目前只有少数二维材料被探索用作量子比特载体，该领域一直缺乏一个全面的路线图来确定新的候选材料。”研究团队开发了一种自动化计算框架，用于预测数千种与基底接触的二维材料中量子比特的相干时间。
通过模拟计算，团队评估了一千多种单层材料，发现其中189种可能比常用的金刚石载体支持更长的自旋相干时间。论文资深作者Giulia Galli教授表示：“我们发现，像WS₂和几种金-氧硒化物这样的材料似乎特别有前景，预测的相干时间在几十毫秒内。”研究还评估了超过1500种二维材料-基底组合，发现基底选择至关重要，某些氧化物材料有助于保持较长的相干时间。
为使大规模筛选成为可能，研究团队还开发了分析模型，以快速估算相干时间。利用这些模型，他们将搜索范围扩大至近5000种二维材料，并新识别出500多种具有较长预测相干时间的候选材料。共同作者詹嘉伟表示，这些有前景材料的结构基元可能适合容纳具有理想电子特性的量子比特。
该研究的核心信息是潜在有用的二维量子材料远多于已知。这项数据驱动策略将有助于将探索从试错转变为理性设计，为发现下一代量子比特载体提供了系统性蓝图。
更多信息： 作者Michael Y. Toriyama 等人，标题《寻找具有长自旋量子比特相干时间的二维材料的策略》，发表于npj 2D Materials and Applications (2025)。
