近日，哈工大深圳校區(qū)集成電路學(xué)院宋清海教授、周宇教授團(tuán)隊(duì)在光量子器件領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究成果以《室溫下波導(dǎo)集成的半導(dǎo)體光子平臺(tái)量子寄存器》（Room-temperature waveguide integrated quantum register in a semiconductor photonic platform）為題，發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）。研究團(tuán)隊(duì)在絕緣層上碳化硅（SiCOI）波導(dǎo)中成功制備了單個(gè)電子和核自旋的糾纏態(tài)，展示了在常溫條件下對(duì)這些自旋的有效控制能力。

研究團(tuán)隊(duì)在碳化硅（SiCOI）上首先制備單個(gè)電子自旋陣列，并通過(guò)精細(xì)操控展示了這些自旋的相干特性。他們將特殊的碳化硅（SiC）外延層晶圓與氧化硅晶圓結(jié)合，并通過(guò)磨削和拋光技術(shù)將碳化硅（SiC）層減薄到200納米。隨后，利用離子注入技術(shù)在碳化硅（SiC）層中引入雙空位自旋，并通過(guò)光磁共振（ODMR）技術(shù)驗(yàn)證了自旋的特性。在碳化硅（SiC）中，約有1.1%的碳原子和4.7%的硅原子具有核自旋。他們成功識(shí)別了一種特定類型的碳化硅量子缺陷，發(fā)現(xiàn)核自旋與電子自旋之間的強(qiáng)耦合能夠?qū)崿F(xiàn)快速的量子操作。通過(guò)特定的實(shí)驗(yàn)，他們觀察到自旋狀態(tài)的躍遷，并測(cè)量了自旋的去相位時(shí)間。這些發(fā)現(xiàn)為碳化硅（SiC）片上集成的光量子信息處理提供了重要基礎(chǔ)。最后，他們將這種電子-核糾纏量子寄存器集成到光波導(dǎo)中，在波導(dǎo)中成功實(shí)現(xiàn)了接近100%的核自旋極化，并制備了最大糾纏貝爾態(tài)，通過(guò)量子態(tài)層析測(cè)量糾纏保真度為0.89。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量子寄存器的光發(fā)射和自旋在集成后保持穩(wěn)定，糾纏也能夠穩(wěn)定保持在室溫的光波導(dǎo)中。這一成果展示了碳化硅平臺(tái)高效的自旋控制、糾纏與片上集成能力，進(jìn)一步推進(jìn)了集成光量子信息技術(shù)在量子網(wǎng)絡(luò)和量子傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

哈工大深圳校區(qū)為論文第一完成單位。哈工大深圳校區(qū)胡海搏博士和中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所伊艾倫副研究員為論文共同第一作者。哈工大深圳校區(qū)宋清海教授、周宇教授，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所歐欣研究員為共同通訊作者。

該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項(xiàng)、深圳市科技計(jì)劃、新基石科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目支持。

波導(dǎo)集成的SiC 電子－核量子糾纏示意圖