来源：新加坡国立大学（National University of Singapore），Sadie Harley 编辑，Robert Egan 审阅；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 马宁伟 编译

    新加坡国立大学（NUS）的科学家发现，超薄二维材料中的原子尺度的替位掺杂原子可以充当稳定的量子系统，并在太赫兹频率下运行。

    这项发表于《ACS Nano》期刊上的发现，为实现高温自旋量子比特和太赫兹单光子发射器开启了新的可能性。

    量子缺陷与自旋量子比特

    二维材料中的不完美或缺陷并不总是一件坏事。事实上，某些缺陷可以充当微小的量子系统。其中一些量子缺陷拥有一种称为自旋三重态的特性，这使得它们适合用作自旋量子比特。

    自旋量子比特是量子计算机的基本构建块。在大多数已知系统中，自旋态之间的能量差（称为零场分裂）通常处于微波频段。虽然目前微波技术已经很成熟，但依赖微波的量子比特在室温下更容易失去其量子行为。

    太赫兹频率的意义

    太赫兹频率介于微波和红外光之间。直到最近，这个范围还被称为“太赫兹间隙”，因为产生和检测太赫兹信号非常困难。然而，受未来 6G 通信等需求驱动，相关技术飞速发展，已经催生了更好、更稳定的太赫兹源和探测器。

    与在微波范围内运行的传统量子比特相比，具有更大零场分裂的量子缺陷有可能产生更稳健、能在更高温度下高可靠性运行的自旋量子比特。

    研究方法与主要发现

    由新加坡国立大学物理系Su Ying QUEK副教授领导的研究团队，采用第一性原理高通量模拟，研究了50种基于二维材料的系统，这些系统是通过将过渡金属原子添加到二硫化钼(MoS₂)和二硒化钨 (WSe₂)单层材料中制成的。

    研究团队筛选出了多种稳定的自旋三重态缺陷，这些缺陷在太赫兹范围内具有极大的零场分裂值。这种巨大的能量分裂主要归因于自旋与周围原子结构之间的强耦合，即自旋-轨道耦合。

    对未来量子技术的影响

    研究团队成员、博士生Jingda Zhang表示：“这些结果为固态缺陷系统提供了清晰的例子，这些系统可能承载能够在太赫兹范围内、在更高温度下有效运行的自旋量子比特。这些系统的原子级厚度特性也有助于未来与纳米光子结构集成，用于未来的太赫兹量子技术，其范围可以从太赫兹自旋量子比特扩展到太赫兹单光子发射器。”

    Quek副教授表示：“这项工作的重要意义在于它连接了两大研究领域——量子缺陷物理学和太赫兹光子学。当今大多数自旋量子比特研究都集中在微波领域，而我们的结果表明，研究太赫兹领域可能会解锁全新的、更强大的量子技术。”

    发表详情

    Jingda Zhang et al, Quantum Defects in 2D Transition Metal Dichalcogenides for Terahertz Technologies, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c06007

    期刊信息： ACS Nano