近日，哈佛大學Marko Loncar教授團隊與芝加哥大學Alexander A. High教授團隊合作，提出并實現了一種基于薄膜金剛石與薄膜鈮酸鋰（TFLN）的異質集成量子光子平臺。該工作通過轉移印刷與光刻對準工藝，將含硅空位（SiV）色心的金剛石光子晶體腔與TFLN光子回路高效耦合，在量子光子集成方向取得重要進展。
從性能指標來看，該平臺實現了735 nm波段品質因子超過5×10?的金剛石光子晶體腔，同時設計的“階梯耦合器”將耦合損耗降低至約1 dB/耦合器。在5 K低溫環境下，研究團隊成功收集SiV色心發射的單光子，并通過TFLN回路實現傳輸，驗證了該平臺在量子信息處理中的可行性。這一成果突破了單一材料體系在功能上的局限，為構建可擴展量子網絡提供了新路徑。
在量子光子體系中，金剛石色心（如NV和SiV中心）因具備光學可尋址和長自旋相干時間，被視為構建可擴展量子網絡的核心資源。盡管相關體系已實現多模糾纏和長距離傳輸演示，但在實際應用中，仍需對光子的頻率、時間及空間模式進行精確調控，而這依賴于強非線性光學及電光調制能力。金剛石本身缺乏二階非線性（χ2）和顯著電光效應，因此難以獨立承擔復雜調控功能。
在此背景下，引入功能互補的材料體系成為關鍵路徑。TFLN平臺具備低損耗傳播、強非線性響應以及成熟的規模化制造能力，已成為集成光子學的重要基礎材料之一。相比傳統的拾取放置或倒裝鍵合等方法，轉移印刷技術在兼容性、損耗控制及規模化潛力方面表現更優，為金剛石與TFLN的深度融合提供了現實路徑。
在器件實現方面，研究團隊首先基于電子束光刻與刻蝕工藝制備TFLN光子回路，包含波導、Y型分束器及光柵耦合器，工作波長圍繞SiV色心的零聲子線（737 nm）進行優化設計。隨后，采用約160 nm厚的薄膜金剛石，通過轉移印刷技術精準集成至TFLN平臺，并經退火處理提升界面穩定性。
結構設計的核心創新在于“階梯耦合器”。TFLN側采用長錐形漸變結構，而金剛石側采用矛頭形錐形設計，通過絕熱模式轉換實現高效耦合。模擬結果顯示，在理想對準條件下耦合效率可超過95%，同時長錐形結構對工藝誤差具有更高容忍度。
實驗表征結果表明，該平臺在性能和一致性方面均表現優異。室溫下，器件共振波長與設計值偏差僅0.33%；在735 nm處測得腔Q值達5.28×10?，接近獨立金剛石器件水平，說明集成過程未引入顯著性能損失。在680–800 nm波段內，耦合效率隨波長提升，其中最優器件在775 nm處實現約91%的耦合效率。
在低溫（5 K）測試中，研究團隊進一步驗證了量子功能。通過532 nm激光激發SiV色心，不論采用共聚焦方式還是通過TFLN光柵耦合器收集，均觀測到清晰的特征發射峰，證明單光子能夠通過耦合結構高效注入并在TFLN回路中傳輸，且系統在低溫條件下運行穩定。
整體來看，該異質集成平臺實現了“量子比特—調控—傳輸”的一體化架構：金剛石提供高質量量子發射源，TFLN承擔調制與頻率轉換等功能，兩者通過低損耗接口實現協同工作。同時，轉移印刷與光刻對準工藝具備良好的規模化潛力。
未來，該方向仍有進一步優化空間，包括擴大金剛石薄膜尺寸以提升集成密度、優化轉移工藝以降低界面缺陷、提升熱管理能力以支持電光調控，以及通過精準注入技術實現色心位置與密度的可控，從而增強單光子與腔的耦合效率。
總體而言，該研究通過材料體系的功能融合，為量子光子集成提供了新的技術范式，不僅有望推動量子通信與量子計算的發展，也為多材料異質集成光子系統的構建提供了重要參考。
