近日，哈爾濱工業大學深圳校區集成電路學院的宋清海教授與周宇教授團隊，在碳化硅集成光量子糾纏器件研究領域取得了突破性進展。該成果有望顯著推動集成光量子信息技術在量子網絡和量子傳感領域的深入應用。相關研究成果已研究成果已以《室溫下波導集成的半導體光子平臺量子寄存器》(Room-temperature waveguide integrated quantum register in a semiconductor photonic platform）為題，發表于《自然通訊》(Nature Communications)。
哈工深研究團隊在絕緣層上碳化硅（SiCOI）波導中，首先制備了單個電子自旋陣列，并展示了其相干特性。通過將特殊的碳化硅（SiC）外延層晶圓與氧化硅晶圓結合，并利用磨削和拋光技術將碳化硅層減薄至200納米。隨后，采用離子注入技術在碳化硅層中引入雙空位自旋，并通過光磁共振（ODMR）技術驗證了自旋特性。該研究發現，在碳化硅中，約有1.1%的碳原子和4.7%的硅原子具有核自旋。該團隊研究人員將電子－核糾纏量子寄存器集成到光波導中，實現了接近100%的核自旋極化，并制備出最大糾纏貝爾態，量子態層析測量顯示糾纏保真度為0.89。實驗結果表明，量子寄存器的光發射和自旋在集成后保持穩定，糾纏也能在室溫光波導中穩定保持，進一步推進了集成光量子信息技術的發展。
波導集成的SiC 電子－核量子糾纏示意圖
隨著大數據、云計算、人工智能和量子計算等新一代信息技術的迅猛發展，對信息傳輸和處理能力的需求呈指數級增長。傳統上依賴高密度集成和晶體管微縮來提升集成電路芯片信息處理速度的方法，已逐漸逼近物理極限。在“后 摩爾時代”，集成光子技術有望成為一種顛覆性技術脫穎而出。光子因其無質量、無電荷等獨特物理屬性，在信息處理中展現出無可比擬的優勢。集成光子技術不僅能在通信容量上實現TB/s級的數據傳輸，傳輸速度遠超電子系統，而且其計算功耗顯著降低，僅為電子系統的千分之一，同時擁有出色的抗干擾能力，確保數據傳輸的穩定性和可靠性。目前，集成光子芯片在實驗室條件下已實現了超過100 Tb/s的數據傳輸速率，是現有光纖通信系統的數十倍。集成光子技術有望成為滿足下一代通信技術性能要求的關鍵解決方案，引領信息技術領域的新一輪變革。
碳化硅憑借其綜合光電特性，在集成光子學領域展現出巨大潛力。其帶隙范圍在2.4至3.2eV之間，覆蓋紫外至中紅外寬透光窗口（0.37至5.6μm），加之顯著的二階（30pm/V）和三階（10至18m2/W）非線性系數，為高效的頻率轉換和低損耗電光調制提供了可能，并奠定了片上光學頻率梳生成的基礎。碳化硅材料的微結構加工工藝與CMOS技術兼容，有效降低了加工成本，同時提升了器件加工效率和可靠性。在量子光學領域，碳化硅中的豐富固態量子光源——如硅空位色心、雙空位色心及氮替位硅空位色心等，具備長自旋相干時間和高精細度，使其成為實現片上量子信息處理的重要平臺。
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