次世代量子技術に繋がる新理論! 無数の候補から有望な「光る欠陥」を高速探索~ 量子コンピュータや量子暗号通信向けの材料開発を加速~

2026-08-25 大阪大学

大阪大学の研究グループは、量子センサー、量子暗号通信、量子コンピュータなどに利用される「色中心」と呼ばれる発光性の結晶欠陥を、膨大な候補から高速・高精度に探索する理論手法を開発した。従来は、結晶格子の振動(フォノン)による非発光損失を正確に計算するため、多大な計算時間が必要だった。今回、フォノンによる光損失を簡潔な理論式で表現し、原子運動に伴う電子状態変化の計算にも近似を導入することで、計算負荷を大幅に低減した。実際に炭化ケイ素(SiC)の約300種類の欠陥をスクリーニングし、既知の色中心を再現するとともに、SiC OV中心の有望性も確認した。材料を限定しない汎用的な手法で、紫外・可視から通信波長帯まで探索できるため、次世代量子技術向け材料の開発を加速することが期待される。

次世代量子技術に繋がる新理論! 無数の候補から有望な「光る欠陥」を高速探索~ 量子コンピュータや量子暗号通信向けの材料開発を加速~
図. 色中心の発光過程(ΓZPL)と光損失過程(ΓNR)を説明する模式図

<関連情報>

発色中心における放射過程および非放射過程を予測するための統一的な第一原理フレームワーク Unified first-principles framework for predicting radiative and non-radiative processes in color centers

Sosuke Iwamoto,Masahiro Hara,Heiji Watanabe & Takuma Kobayashi
npj Computational Materials  Published:25 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41524-026-02267-8

Abstract

Uncovering promising spin-qubit candidates among a myriad of semiconductor point defects requires high-throughput screening based on first-principles calculations. In practice, however, assessing color centers must incorporate phonon-related quantities such as phonon-sideband emission and non-radiative transition rates, which makes the calculations considerably cumbersome. In this paper, we present a method that streamlines the computational steps required to include phonon contributions to both radiative and non-radiative processes. In evaluating the non-radiative transition rate, we simplify the original summation-based expression and obtained a compact, tractable closed-form formula in the low-temperature limit, assuming the electron-phonon coupling matrix element to be constant. Furthermore, we show that perturbative energy evaluations at displaced atomic configurations can be replaced by a much simpler computation of energetics within the single-phonon-mode approximation. We applied the methodology proposed here to impurity-vacancy defects in 4H-SiC and demonstrated that it is highly versatile, allowing straightforward application to a broad range of material systems beyond those examined in this study.

0403電子応用
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