美國水牛城大學（University at Buffalo, UB）主導的研究團隊近日在量子科技領域取得關鍵突破，成功預測出六方氮化硼（hexagonal boron nitride, h-BN）中 10 種原子缺陷的「光學指紋」。這項於 10 月 19 日發表在美國化學學會《Nano Letters》期刊的研究，透過電腦模擬揭示了缺陷如何改變材料對雷射光的響應，為未來量子通訊與感測技術的發展鋪平了道路。
尋找量子世界的微小線索：突破材料缺陷辨識瓶頸
在發展量子科技的道路上，科學家面臨的最大挑戰之一，就是尋找並掌握那些能夠發射單顆光子的微小原子缺陷。這些缺陷雖然至關重要，但體積極小且極難直接觀察。研究團隊透過建立電腦模型，模擬當雷射光照射到具有蜂巢狀結構的六方氮化硼時，不同的原子缺陷會如何影響所產生光線的強度與極化狀態。
水牛城大學工程與應用科學學院電機工程學系教授、共同通訊作者瓦西里·佩列貝伊諾斯（Vasili Perebeinos）指出：「並非所有的原子缺陷都是生而平等的。讓缺陷更容易被識別，能讓我們離找出具備特定屬性的目標更近一步。」這項研究總共模擬了 10 種不同的原子缺陷，包含硼或 nitrogen（氮）原子缺失，以及被碳原子取代的情況。
研究團隊發現，特定的缺陷在特定光線極化下，會大幅增加入射雷射頻率兩倍甚至三倍的光產量。這意味著這些獨特的光學指紋將更容易被實驗室測量與捕捉，大幅降低了後續研究的篩選門檻。
從原子排列到光學響應：精準工程的關鍵一步
更有趣的是，即使是包含相同原子的缺陷，如果原子排列方式不同，也會產生截然不同的光學指紋。研究人員模擬了由四個碳原子組成的兩種不同排列方式，結果顯示其中一種會在兩個不同的極化方向上產生強烈的光信號，而另一種則僅在單一方向上有強烈信號。
身兼水牛城大學雷射、光子學與生物光子學研究所（ILPB）執行長、紐約州立大學傑出教授的帕拉斯·納特·普拉萨德（Paras N. Prasad）表示：「這些特有的光學響應，最終將允許我們透過實驗，不僅能識別缺陷中涉及哪些原子，還能精確掌握它們是如何排列的。」
部分六方氮化硼的缺陷具備發射量子光的能力，能夠一次釋放單個光子，這些單光子正是承載未來量子通訊與感測技術核心資訊的重要載體。這項研究成果將有助於科學家判斷哪些缺陷能夠產生量子光，並進一步學習如何針對量子應用進行缺陷工程。
邁向可控量子陣列的前瞻願景
研究團隊的最終目標，是打造出一種能夠精確控制量子光缺陷位置的先進材料。佩列貝伊諾斯強調：「我們不希望只依賴個別的量子光源，而是希望能創造出整排的量子光源陣列，應用於未來的量子技術中。這正是我們研究這些材料中缺陷的主要動機。」這項由博士生奧爾加·薩夫金娜（Olga Savkina）與博士後研究員達武德·阿迪內魯（Davoud Adinehloo）等人領導的研究，獲得了美國空軍科學研究局（AFOSR）跨學科大學研究倡議（MURI）計畫、美國國家科學基金會（NSF）、澳洲研究委員會以及水牛城大學量子研究所的支援。
從產業面來看，量子技術的商業化瓶頸向來不在於理論架構，而在於基礎材料的可控性與良率。水牛城大學這次透過電腦模擬精準解碼六方氮化硼的光學指紋，等於是為材料科學家拿到了一張尋寶圖。當我們能從「大海撈針」進步到「精準定位」這些原子缺陷，量子通訊晶片與高靈敏度感測器的量產時程勢必將大幅往前推進。
隨著量子科技從理論走向實踐，基礎材料的研究正如火如荼地展開。你認為臺灣在這樣的全球量子材料競賽中，應該如何定位自己的優勢？建議持續關注相關產學合作動態，評估自身在次世代科技浪潮中的切入點。
本文改寫整理自公開新聞來源，原始報導由The Quantum Insider發布。
常見問題 FAQ
什麼是六方氮化硼的光學指紋？
六方氮化硼的光學指紋是指當材料內部的原子缺陷受到雷射光照射時，所產生的光線強度與極化響應變化，科學家能藉此識別特定的原子缺陷類型。
為什麼原子缺陷對量子科技很重要？
因為特定的原子缺陷能夠發射單顆光子（單光子），這些光子能夠攜帶量子資訊，是未來發展量子通訊與高精度感測技術的核心元件。
這項研究是由哪個機構主導？
這項研究是由美國水牛城大學（University at Buffalo）主導的跨學科團隊所完成，研究成果已發表於《Nano Letters》期刊。
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