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美国研究人员开发并演示了一种新型混合光子平台，该平台将量子发射器与光子器件集成在一起，从而提供了一种可靠控制光子与量子信息载体之间相互作用的方法。这种基于芯片的平台将GaP与金刚石衬底相结合，有望通过提供远距离连接量子器件的方法，使量子网络更具实用性。
将量子技术扩展到通信网络领域，需要将量子存储器（即量子比特）远距离连接起来。虽然光纤网络利用光信号提供了一种很有前景的传输方式，但关键挑战在于如何可靠地将存储在量子比特中的信息转换为能够在网络中传输的光子。
“我们证明，我们开发的混合集成GaP/金刚石纳米光子平台能够应对这一挑战，它实现了光子与金刚石中一种名为硅空位（SiV）中心的量子比特之间可靠可控的相互作用，”论文第一作者、华盛顿大学的Nicholas S. Yama说道。“GaP还具有很强的非线性特性，能够实现光频转换、开关和调制，这些都是网络应用所必需的。”
在发表于《Optica Quantum》期刊的论文《可扩展纳米光子平台中的高效自旋-光子相互作用》中，由华盛顿大学和太平洋西北国家实验室的傅凯梅（Kai-Mei C. Fu）领导的研究团队介绍了他们开发的新型混合平台，其中包括一种可扩展的制造工艺，旨在解决金刚石基光子器件制造中长期存在的难题。他们利用该工艺在金刚石衬底上制造了超过600个GaP纳米光子腔，良率高达99.5%。
“如果金刚石上的GaP被证明是一条可行的发展路径，它可能是实现大规模量子网络的最直接方法之一，可用于安全通信和密码学等实际应用，”Yama说道。“同样的技术还可以支持更广泛的量子计算应用，而构建跨越远距离的量子系统的能力，则可能开辟远超网络应用的无限可能。”
十多年来，人们一直在研究GaP/金刚石复合材料，将其作为一种潜在的可扩展的金刚石基量子比特平台。然而，如何使光子器件和SiV中心之间产生足够强的相互作用以可靠地控制量子比特一直是一个难题。这需要一种被称为高合作性的机制，在这种机制下，相互作用足够强，可以产生确定性的行为。
“迄今为止，由于GaP光子层与金刚石中的SiV中心在空间上分离，因此很难在金刚石上实现高协同性，”Yama说道。“早期的器件采用对金刚石进行部分蚀刻来缓解这个问题，但由于这种工艺并非标准工艺，因此很难使用现有的制造方法进行规模化生产。”
2023年，傅教授的研究团队展示了他们如何利用可扩展的印章转移工艺，在不改变金刚石衬底的情况下制备出GaP/金刚石器件。然而，当时的光学相互作用强度不足以满足实际应用的需求。在最新的研究中，他们重新设计了器件结构，以提高器件性能并完善制备工艺。
经过多次迭代，他们将印章转移工艺的良率提高到接近 100%。他们还将 SiV 和光子器件的物理分离整合到设计优化过程中，从而在不牺牲器件其他方面的前提下，大大增强了二者之间的相互作用。
这种新型平台融合了两种材料的优势。未经蚀刻的金刚石为传输量子信息所需的强SiV-光子相互作用提供了纯净的基底，而GaP则使得诸如开关和调制器之类的光学元件能够直接集成到芯片中。
“我们的GaP-on-diamond平台最终可用于在单个芯片上连接多个SiV量子比特，从而将开关、调制和波导与SiV量子比特集成在一起，而无需依赖单独的外部组件，”Yama说道。“在这项工作中，我们证明了关键的基本组件—SiV-光子耦合—的有效性，这有望在未来实现更大规模的网络芯片。”
为了演示这些器件，研究人员首先在载体衬底上生长了一层GaP薄膜。然后，他们利用电子束光刻工艺在薄膜上制作纳米光子腔器件图案，并通过光学光谱测试其性能，以确保其具备所需的特性。他们筛选出性能最佳的器件组合，并通过他们开发的印章转移工艺将其转移到金刚石衬底上。
利用激光，他们证明了这些器件实现了高于1的协同性，这意味着相互作用足够强，可以通过器件散射的光可靠地检测到SiV自旋态。每个自旋态都会产生独特的谱线特征，使研究人员能够“观察”SiV量子比特在不同状态之间的切换。这些器件的自旋弛豫时间也超过0.4毫秒，结合高协同性，实现了对SiV电子自旋的单次读取。
接下来，研究人员希望在同一芯片上连接两个或多个GaP-on-diamond SiV器件，并证明它们可以相互纠缠，从而形成更大的量子寄存器。他们还计划进一步优化制造工艺，以提高器件的协同性，并实现更复杂的集成光子芯片布局。
他们表示，这种混合集成方法有望应用于硅中心和金刚石以外的领域。例如，难以与传统全金刚石光子器件集成的量子比特，或许可以与金刚石上的磷化镓（GaP-on-diamond）相结合。类似的方法也可应用于其他量子发射器平台，例如碳化硅和二维材料中的单发射器，从而为量子技术的扩展提供新的工具。
