华盛顿大学，实现99.5%良率的磷化镓-金刚石量子平台！

金刚石色心是量子网络研究中的明星体系。硅空位（SiV）色心具有出色的光学与自旋相干性，是实现腔量子电动力学（cQED）量子网络的领先方案之一。
但问题也很明显：目前主流做法是直接在悬浮或薄膜金刚石上刻蚀光腔。这种工艺难度大，还容易引入表面缺陷、损害色心相干性。更关键的是，金刚石本身缺乏光学非线性，难以支撑可扩展量子光子处理所需的片上有源元件。

近日，华盛顿大学团队联合柏林洪堡大学团队，在 Optica Quantum 发表研究，题为“Efficient spin-photon interactions in a scalable nanophotonic platform”。
研究人员开发出一种新型混合光子平台，将量子发射器与光子器件相结合，可可靠调控光子与量子信息载体之间的相互作用。该芯片级平台由磷化镓（GaP）与金刚石衬底构成，实现了首个在可扩展混合集成 GaP-on-diamond 平台上单个 SiV 自旋量子比特的高协同度（C>1）耦合，有望实现量子器件远距离互联，助力量子网络走向实用化。

为什么是 GaP-on-diamond？

团队把光子电路做在键合到金刚石衬底上的 GaP 薄膜里，采用平面结构，全程无需刻蚀金刚石，从根源上避开了表面损伤问题。

GaP 的优势十分突出：高折射率（737 nm 处为 3.21）保证低损耗导光；大二阶非线性（χ⁽²⁾ = 110 pm/V）可支撑片上量子频率转换等有源器件；高声速对比度还让它成为集成声子学与腔光力学的潜力平台。

工艺层面，团队在一块 GaP 薄膜上制备了超过 4000 个光子晶体器件，再通过干法转印转移到 2 mm 金刚石芯片上，640 个器件成功转移 637 个，良率达 99.5%。实测平均工艺限制品质因子最高约 10⁴，部分器件 Q 超过 10⁴，大规模集成的可行性得到直接验证。

首次实现 C > 1 的高协同度耦合

在 4 K 温度下，团队观察到 SiV 色心与腔共振时的偶极诱导透明（DIT）现象。拟合分析显示，SiV 与腔的耦合强度 g/2π>2.1 GHz，协同度 C>1.37——这是该类平面混合平台首次突破高协同度门槛，已与当前单体金刚石腔量子网络实验相当。

同时，近表面 SiV 线宽接近寿命极限，说明色心品质并未因集成工艺受损。

在此基础上，团队利用磁场精准对准，测得 SiV 自旋弛豫时间 T1 达 419 µs（超过 0.4 ms），并通过腔透射实现了自旋态量子跳变的单次读取，保真度达 96%——这是构建量子网络节点复用器的关键前提。

对量子网络意味着什么？

论文指出，通过改进工艺和采用单端口临界耦合设计，品质因子有望提升 10 倍以上，将协同度推向 C>10。

更长远看，GaP 的强非线性可用于片上量子频率转换与压缩光协议，声子学模块可集成用于自旋操控；且因无需刻蚀金刚石，平台还可兼容 NV 色心等无反演对称性、性能更优的缺陷体系。

这项工作表明，GaP-on-diamond 有望成为下一代可扩展量子网络技术的核心平台。

图1. 腔结构设计。（A）GaP-on-diamond 腔设计示意图。（B）纳米梁中心处基模的模拟场分布。（C）SiV 色心沿垂直⟨111⟩轴取向时，腔中心处腔模重叠因子随深度 z 的模拟结果。灰色高斯曲线表示估算的注入 SiV 分布，平均深度 ⟨z⟩ = −20.0 nm，离散度 σ = 6.5 nm。（D）协同度 C > 0.1（橙色）、1（红色）和 10（紫色）的耦合 SiV 预期数量随总品质因子 Q 的变化。计算假设 SiV 面密度为 50 μm⁻²、本征辐射效率 γ₀/γ = 0.07。

图2. 大规模器件集成。（A）2 mm 金刚石芯片的光学图像；（B）16 组器件中一组的局部放大图。直通（thru）/下路（drop）器件分别以红/蓝框标出。（C）thru 器件与（D）drop 器件的 SEM 图像。图像中的纹理源于成像所用的金/钯镀层。（E）室温下的代表性透射光谱，主共振以灰色高亮标出。（F）全部实测器件（N = 321）的品质因子随耦合参数的变化，颜色亮度代表不同器件组。（G）室温下品质因子与共振波长的分布图。处于 740–742 nm 灰色区域内的器件，可在低温下调谐至与 SiV 色心共振。

图3. 高效自旋-光子界面。（A）外加磁场与对称轴成 α 角时，SiV 色心的能级结构与光学跃迁。（B）SiV 1 的透射与 PLE 光谱，可清晰分辨自旋守恒跃迁 C₂ 和 C₃。两端两个弱峰归因于其他 SiV 色心。（C）通过 SiV 1 的 PLE 测量获得的自旋弛豫曲线，插图展示脉冲序列。（D）腔透射与 PLE 信号随自旋态的切换。（E）腔透射的典型时间轨迹，展示对 SiV 自旋态量子跳变的单次读取（左）；15 条时间轨迹的强度分布及双泊松拟合（右）。30 计数/单位处的虚线对应最优判别阈值，保真度 F = 96%。（F）量子跳变间隔时间的分布，符合指数分布拟合。