良率99.5%！金刚石光子器件制造难题获突破

下一步，研究团队计划在同一芯片上集成两个及以上磷化镓-金刚石硅空位器件。

研究人员开发并验证了一款新型混合光子平台，该平台将量子发射体与光子器件集成在一起，为可靠控制光子与量子信息载体之间的相互作用提供了方案。这款基于芯片的平台将磷化镓（GaP）与金刚石衬底相结合，能够实现量子器件远距离互联，推动量子网络走向实用化。

要扩大量子技术规模、搭建通信网络，就需要把量子存储器（即量子比特）进行远距离连接。光纤网络可利用光信号实现这一目标，前景广阔，但核心难点在于：把存储在量子比特中的信息可靠转换为可在网络中传输的光子。

论文第一作者、华盛顿大学的Nicholas S. Yama表示：“我们的磷化镓 - 金刚石混合集成纳米光子平台，可以解决这一难题，实现光子与金刚石中一类名为硅空位（SiV）色心的量子比特之间可控且稳定的相互作用。磷化镓还具备优异的非线性光学特性，可实现光频转换、光开关与光调制，这些都是量子网络应用所需的功能。”

在《Optica Quantum》期刊上，由华盛顿大学与西北太平洋国家实验室的Kai-Mei C. Fu带领的研究团队介绍了这款新型混合平台，同时公布了他们研发的可规模化制造工艺，解决了金刚石光子器件制造中长期存在的难题。研究人员利用该工艺在金刚石衬底上制备出600多个磷化镓纳米光子腔，良率达到99.5%。

Yama称：“如果磷化镓 - 金刚石方案被证实可行，它有望成为规模化搭建量子网络最直接的技术路线之一，可用于保密通信、密码学等实际场景。这项技术同样可以拓展到更多量子计算应用；而能够构建远距离量子系统的能力，带来的可能性也远不止量子网络。”

两块带有压印磷化镓器件的2毫米金刚石芯片，被固定在低温恒温器的冷指上，冷却至4开尔文。每块芯片上阵列排布16组、每组40个纳米光子腔。

攻克空间分离难题

十多年来，磷化镓 - 金刚石体系一直被视作金刚石量子比特的潜在可规模化平台。但要让光子器件与硅空位色心产生足够强的相互作用，实现对量子比特的可靠调控，难度一直很大。这需要进入高协同性区间，也就是相互作用强度足以产生确定性响应。

Yama解释道：“此前磷化镓 - 金刚石体系很难实现高协同性，原因在于磷化镓光子层和金刚石内部的硅空位色心在空间上相互分离。早期器件会对金刚石做部分刻蚀来缓解这个问题，但该工艺并非标准工艺，很难依托成熟制造工艺实现量产。”

2023年，Fu的团队展示了一种压印转移工艺，无需对金刚石进行改性就能制备磷化镓 - 金刚石器件。不过当时的光相互作用强度还达不到实用要求。在本次新研究中，团队重新设计器件结构，在优化性能的同时完善了制造工艺。

这款新平台的实现，依托研究人员开发的可规模化制造工艺。团队利用该工艺在金刚石衬底上制备出600多个磷化镓纳米光子腔（如图），良率99.5%。

经过多轮迭代，团队将压印转移工艺良率提升至接近100%。研究人员还把硅空位色心与光子结构的空间距离纳入设计优化环节，在不牺牲器件其他性能指标的前提下，大幅增强两者相互作用。

新平台融合两种材料各自优势：未经刻蚀的金刚石可以提供纯净的宿主环境，保障硅空位色心与光子之间实现量子信息传输所需的强耦合；磷化镓则可将光开关、光调制器等光学元件直接集成在芯片上。

Yama说：“我们这款磷化镓 - 金刚石平台未来有望在单颗芯片上连接多个硅空位量子比特，把光开关、调制器、波导和硅空位量子比特集成在一起，不再依赖分立的外部器件。本次工作验证了核心基础组件 —— 硅空位色心与光子耦合的可行性，为未来开发这类大型量子网络芯片打下基础。”

新平台验证测试

为完成器件验证，研究人员先在载体衬底上生长磷化镓薄膜。随后采用电子束光刻工艺，在薄膜上制备纳米光子腔器件，并通过光谱测试表征器件性能，确认器件满足设计指标。研究人员筛选出性能最优的器件，再通过自研的压印转移工艺，将其转移到金刚石衬底。

借助激光测试，团队证实器件实现大于1的协同性。这代表相互作用强度足够，可通过器件散射光，可靠读取硅空位的自旋态。不同自旋态会产生独特光谱信号，研究人员可以 “观测” 硅空位量子比特在不同状态间切换。器件自旋弛豫时间超过0.4毫秒，搭配高协同性指标，实现硅空位电子自旋的单次读出。

下一步，研究团队计划在同一芯片上集成两个及以上磷化镓 - 金刚石硅空位器件，验证器件间可以产生量子纠缠，构成更大规模的量子寄存器。团队还将继续优化制造工艺，进一步提升协同性指标，同时支持设计更复杂的集成光子芯片版图。

这种混合集成方案，除硅空位色心与金刚石体系外，还有望拓展到更多场景。例如，一些难以与全金刚石光子结构集成的量子比特，有望借助磷化镓 - 金刚石方案实现集成。同类思路也可适配其他量子发射体平台，比如碳化硅、二维材料中的单量子发射体，为量子技术规模化提供新工具。

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