新加坡国立大学的科学家通过研究发现，超薄二维材料中经原子级替代掺杂形成的特定缺陷，可以构成一种能在太赫兹频率下稳定运行的量子系统。该研究成果发表于学术期刊《ACS Nano》，为研发可在较高温度下工作的自旋量子比特及太赫兹单光子发射器提供了新的理论路径。

在量子技术领域，材料中的某些缺陷可被视为微型的量子系统。其中具有自旋三重态特性的缺陷适合用作自旋量子比特，即量子计算机的基本单元。在多数已知系统中，自旋态间的能量差(零场分裂，ZFS)通常位于微波波段。虽然微波技术较为成熟，但依赖于此的量子比特在室温下易失去量子特性。太赫兹频率位于微波与红外光之间，该波段的技术在过去面临挑战，但随着未来通信技术的需求推动，相关源与探测器正快速发展。

由新加坡国立大学物理系副教授郭素颖领导的研究团队，采用第一性原理高通量模拟方法，对通过向二硫化钼和二硒化钨单层中添加过渡金属原子所形成的50种二维材料体系进行了系统研究。他们发现了数种稳定的自旋三重态缺陷，这些缺陷在太赫兹范围内表现出异常大的零场分裂值。这种大的能级分裂主要源于自旋与原子结构之间的强耦合作用，即自旋轨道耦合。

该研究的博士生张景达表示：“这些结果清晰地展示了固态缺陷系统，这类系统有望承载能够在太赫兹波段高温下高效工作的自旋量子比特。这些系统的原子级薄特性也有利于与纳米光子结构集成，从而应用于未来的量子太赫兹技术，其应用范围可涵盖太赫兹自旋量子比特到太赫兹单光子发射器。”郭素颖副教授指出：“这项工作的意义在于它连接了两个截然不同的研究领域——量子缺陷物理和太赫兹光子学。目前大多数自旋量子比特研究都集中在微波波段，但我们的研究结果表明，探索太赫兹波段有望开启全新而强大的量子技术。”

这项发现为在更高温度下实现更稳健的量子比特，以及开发新型量子太赫兹器件奠定了材料基础。

出版详情：作者：Jingda Zhang等人，标题：《二维过渡金属二硫化物中的量子缺陷及其在太赫兹技术中的应用》，ACS Nano (2025)。期刊信息：ACS Nano