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引言+ {2 N- u4 Z0 X0 w
碳化硅(SiC)已成為利用單光子進(jìn)行量子信息傳輸?shù)挠星巴酒脚_。這種材料具有長自旋相干性量子比特、優(yōu)異的電子和光學(xué)特性以及CMOS兼容性。本文將探討絕緣體上SiC(SiCOI)中自旋-光子界面(SPIs)的關(guān)鍵組成部分,并討論該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1]。4 J5 d% x: X) [) k9 m0 q8 S- v
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@5 X* f5 W# V! u) k
; P8 W( d% S( ]+ A0 fSiC中的色心
0 L& ]0 |' n9 W. _( w; L0 b6 M色心是SiC晶體結(jié)構(gòu)中可作為單光子發(fā)射器和自旋量子比特宿主的缺陷。研究人員已經(jīng)研究了SiC中幾種類型的色心,每種都具有獨(dú)特的特性:
# A) b9 B6 a# a' v4 \0 W x/ e: \: k4 q: n
1. 硅空位(V?Si)
/ A; c, I5 @9 S7 E8 k+ E% N8 T負(fù)電荷硅空位是SiC中研究最多的色心之一?梢酝ㄟ^使用各種輻照技術(shù)從SiC晶格中移除一個硅原子來創(chuàng)建。V?Si中心具有3/2的自旋,并表現(xiàn)出近紅外光子發(fā)射。% | F" i" ~$ ~
L3 O5 ^/ I+ s# C+ e* U/ N2. 雙空位(VSiV0C)
3 q+ c* ~: K) h0 M$ _2 ^2 _" _- Y/ F中性雙空位由一個缺失的硅原子與相鄰的缺失碳原子組成。在晶格中有四種不同的構(gòu)型,導(dǎo)致1078 nm至1132 nm之間的不同零聲子線(ZPLs)。8 f6 V9 X7 K7 a: ^6 n( s
# ^7 F2 R+ f7 D) i1 |) g
3. 氮空位(NCV?Si)6 a1 }/ g3 n( i; J5 s/ y# O
氮空位中心是通過在硅空位附近植入氮原子形成的。發(fā)射波長范圍為1180 nm至1240 nm的光子,自旋為1。
; p. p) V$ |: m
! R- k) z1 d$ P1 j F4. 釩和鉺缺陷" s0 I% g3 k4 X1 d( r& d: Z% N4 n
釩(V4+)和鉺(Er3+)缺陷研究較少,但具有有趣的特性。V4+在1300 nm左右的電信波段發(fā)射,而Er3+在1540 nm發(fā)射。$ w8 ~' c$ o& x$ P" ? M, s$ m' i
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( e c1 I6 ~ O# K0 I5 c圖1:SiC中色心制造、缺陷晶格和自旋讀出技術(shù)的示意圖。
. x, ~& l& i$ ~# `' G/ m! G4 g8 z7 Y0 Y; j# h
制造方法! u6 |& f) j2 @, l) ~
用于在SiC中創(chuàng)建色心的各種技術(shù)包括:
& u, A2 F' E5 c( ]/ y- \" L離子注入:這種方法可以控制色心的深度和橫向位置。電子輻照:對材料損傷較小,適合創(chuàng)建本征缺陷。激光寫入:提供精確的深度控制,可能對材料造成較小損傷。聚焦離子束(FIB):允許高精度地在近表面創(chuàng)建色心。
6 w& @. g& D! q+ Z* N0 [" J' j5 H' T" |% J
SiCOI平臺
2 V2 l, s) b6 ]( K! y; B b絕緣體上SiC平臺為集成量子光電子技術(shù)提供了幾個優(yōu)勢:低損耗波導(dǎo)高品質(zhì)因數(shù)光學(xué)腔CMOS兼容性可擴(kuò)展性
y* \0 ^1 U2 {: B: M[/ol]
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% f2 H6 ?' C8 F, R& S. ^- L/ l3 ?圖2:SiCOI形成的三種主要方法。
5 T F2 n l8 ~9 l b- \# `
. b% o' @2 Q2 a- F; _集成光電子組件# O2 [1 F3 t7 W# v* X
在SiCOI平臺上已經(jīng)展示了幾種光電子組件:
6 n* U0 A) k7 T8 f1. 定向耦合器:更復(fù)雜器件(如馬赫-曾德干涉儀和環(huán)形諧振器)的基本構(gòu)建模塊。7 Z5 |6 @1 H; V- @1 A; O# H
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. [$ J) b+ j4 ~0 K$ P0 k( S圖3:4H-SiCOI上定向耦合器的模擬模式剖面和光場分布。, N% i5 S+ a. h4 W3 ^
Z$ R Y. W2 p$ W% S, J
2. 波導(dǎo):實(shí)現(xiàn)芯片上光信號的高效傳輸。
0 n; a- p/ W+ l
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6 Y9 i$ f5 L# P! V* f圖4:在4H-SiCOI上制造的高限制SiC波導(dǎo)的顯微圖。
7 i/ m i) y. Q. J. e$ X0 E4 z7 X7 p! e8 z" \! f/ H7 @
3. 環(huán)形諧振器:用于各種應(yīng)用,包括非線性光學(xué)和量子光生成。9 x: |# d/ M3 g* a
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! @6 o- U7 Q1 \! O$ o4 ~2 @6 e; |+ g' Y4 x
圖5:在3C-SiCOI(左)和a-SiCOI(右)平臺上制造的環(huán)形諧振器的掃描電子顯微鏡圖像。
- B4 e( Y4 l, u( i5 a S/ ]1 J/ q
- o' o0 L- F3 O* L* z ]+ \4. 光子晶體腔:提供超高品質(zhì)因數(shù),增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用。
( Y& ?8 L1 ]" V; O+ d% @
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% t* P' F5 x% u圖6:在4H-SiCOI上制造的超高Q光子晶體納米腔結(jié)構(gòu)。
2 J" s7 n9 H& R1 x7 i8 h2 u2 [: j9 {- [" i2 I
挑戰(zhàn)和機(jī)遇6 `5 }- I) @+ r! F" D, E: P
1. 光譜穩(wěn)定性
2 u: g9 O0 i) p8 R' q; T5 s3 _9 u在量子應(yīng)用中使用色心的主要挑戰(zhàn)之一是光譜擴(kuò)散,可能會使發(fā)射線變寬并降低相干性。硅空位(V?Si)在與光電子器件耦合時仍能保持窄光譜線寬,顯示出巨大的潛力。# G9 W6 [2 `9 I9 I; b
6 B4 s# V% Y6 D7 p% N/ |/ `2 ~2. 自旋相干性4 E# |- f" B. J5 W5 r5 \
提高自旋相干時間對量子信息處理非常重要。動態(tài)解耦和同位素純化等技術(shù)可以幫助延長相干時間。4 `. l+ [$ G/ @6 C& P
4 G, W+ u+ S6 b/ I$ L5 M* ~
3. 不可分辨光子生成" F: O2 E, T* D, [# n2 G* T
生成不可分辨光子對量子干涉和糾纏非常重要。最近從SiC中的硅空位展示的不可分辨光子發(fā)射為未來應(yīng)用帶來了希望。9 W% g: y( @6 q
- {9 r' s1 r5 b: W& J4. 與光電子線路集成
$ z) X( f! U' \' p" k在保持量子特性的同時將色心耦合到光電子結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。最近在制造嵌入色心的SiCOI波導(dǎo)和腔的進(jìn)展顯示出克服這一障礙的希望。 M( x4 Y1 R0 z1 y
i4 i8 V+ P* W* p' O4 v F9 O
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& y" D" f$ d* O: }! n/ z圖7為非線性光學(xué)過程設(shè)計(jì)的4H-SiCOI(左)和3C-SiCOI(右)上環(huán)形諧振器的掃描電子顯微鏡圖像。
" z; ]- E2 B- j: T
1 L# X' E" f& u; }( b- G5. 芯片上量子操作
& `# `/ A: h5 P4 ~, @6 r5 [在芯片上展示多量子比特控制和光子介導(dǎo)的糾纏仍然是一個挑戰(zhàn)。然而,在創(chuàng)建高質(zhì)量光電子結(jié)構(gòu)和改善色心特性方面的進(jìn)展使這個目標(biāo)越來越接近。7 h, X, m: c7 M' c" Y6 c
. Z6 `7 k0 y) J& y; s, E
6. 非線性光學(xué)9 o' A; d" o2 `4 M$ z" \7 Y, }. E
SiC的強(qiáng)光學(xué)非線性使各種非線性光學(xué)過程成為可能,如頻率轉(zhuǎn)換和梳狀譜生成,這些對量子信息處理非常有用。% }& B1 J% s n5 x# t9 W* k' J
: ^* l+ g5 k5 v4 I& }* K
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- n# M+ c7 B; g$ `圖8:為光學(xué)參量振蕩和寬帶梳狀譜生成設(shè)計(jì)的4H-SiCOI上環(huán)形諧振器的掃描電子顯微鏡圖像。' Y5 R- g) e8 ~8 L
. N& k( E/ T* r. ]2 L1 H
7. 電光控制
# \5 a5 s5 S; p _電氣控制色心和光電子器件的能力對可擴(kuò)展量子技術(shù)非常重要。最近在SiCOI中展示的集成波克爾斯調(diào)制器顯示出實(shí)現(xiàn)這種控制的希望。
( B4 F% S2 k' w. C9 _* e6 v8 U8 C8 h( B {7 `$ p) W, {
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- N- X t6 i+ ~; q3 ?圖9:在3C-SiCOI平臺上制造的集成波克爾斯調(diào)制器概覽。" ?! {6 d: \9 }" z. y+ T
. D! [+ b1 j5 K6 [4 N未來展望8 c: Z; @% W* s; a7 z% l5 x
SiCOI中的自旋-光子界面領(lǐng)域正在迅速發(fā)展,未來有幾個可期待的前景:芯片上單光子探測器:將超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPDs)直接集成到SiCOI芯片上可以顯著提高系統(tǒng)效率,實(shí)現(xiàn)完全集成的量子光電子線路。多量子比特網(wǎng)絡(luò):利用SiC色心的長距離量子通信能力,研究人員旨在在單個芯片上展示多量子比特網(wǎng)絡(luò)。量子存儲器:利用SiC中與電子自旋耦合的核自旋可能導(dǎo)致長壽命量子存儲器的開發(fā),用于量子信息存儲和處理。非線性量子光學(xué):利用SiC的強(qiáng)光學(xué)非線性可能實(shí)現(xiàn)新穎量子光狀態(tài)的生成,增強(qiáng)量子信息處理能力。% o. @1 f7 n8 y$ `" g: l6 [0 b
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0 Q) v7 d, }0 W5 V! U圖10:用于光子對生成的4H-SiCOI上環(huán)形諧振器的掃描電子顯微鏡圖像。
- L; Q2 [ Z+ ~5 y& e% e* L7 K3 d% d
結(jié)論: X1 X) N) g# a
絕緣體上碳化硅為實(shí)現(xiàn)具有量子通信、傳感和信息處理應(yīng)用的自旋-光子界面提供了有前途的平臺。長壽命自旋量子比特、高效單光子發(fā)射和先進(jìn)光電子集成能力的結(jié)合使SiCOI成為未來量子技術(shù)的有吸引力的候選者。隨著研究人員繼續(xù)克服光譜穩(wěn)定性、自旋相干性和芯片上集成方面的挑戰(zhàn),可以期待基于SiCOI平臺的集成量子光電子技術(shù)領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。7 L. m1 g) m7 _; l( e! V& ~
; Y" y$ b5 P& U- m# x- ^參考文獻(xiàn)
+ S; z" ^1 C5 x/ ][1] J. Bader, H. Arianfard, A. Peruzzo, and S. Castelletto, "Analysis, recent challenges and capabilities of spin-photon interfaces in Silicon carbide-on-insulator," npj Nanophotonics, vol. 1, no. 29, pp. 1-14, 2024, doi: 10.1038/s44310-024-00031-8.' P6 V- [ e5 J& E: \2 V
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