新型金剛石微結(jié)構(gòu)賦能量子傳感與計(jì)算

近日，來(lái)自 滑鐵盧大學(xué) 的研究團(tuán)隊(duì)在量子器件領(lǐng)域取得一項(xiàng)新進(jìn)展：他們開(kāi)發(fā)出一種全新的納米級(jí)金剛石光學(xué)結(jié)構(gòu)，可更高效地收集和控制光，從而提升量子傳感與固態(tài)量子計(jì)算系統(tǒng)的性能。相關(guān)成果發(fā)表于 Science Advances，論文題為《Probing Individual Quantum Emitters in Bulk Semiconductors via Photonic Nanojets》。

這項(xiàng)研究由 Behrooz Semnani 主導(dǎo)，在 Michal Bajcsy 團(tuán)隊(duì)完成。研究人員提出了一種能夠產(chǎn)生“光子納米噴流（Photonic Nanojet）”的新型結(jié)構(gòu)，可在納米尺度上精準(zhǔn)聚焦光束，并增強(qiáng)光與量子缺陷之間的相互作用。

在當(dāng)前的固態(tài)量子技術(shù)中，金剛石、碳化硅以及硅等材料，都可以通過(guò)引入類(lèi)似“原子缺陷”的結(jié)構(gòu)形成量子比特（Qubit）。這些缺陷通常也被稱(chēng)為“色心”或“量子發(fā)射體”，能夠在激光作用下完成初始化、操控與讀出，同時(shí)還能充當(dāng)單光子源，是量子計(jì)算和量子傳感的重要基礎(chǔ)。

不過(guò)，實(shí)際應(yīng)用中存在一個(gè)長(zhǎng)期難題：由于金剛石等材料折射率較高，缺陷發(fā)出的光子往往被困在材料內(nèi)部，難以有效提取；與此同時(shí)，想用激光精準(zhǔn)照射單個(gè)缺陷也并不容易。這些問(wèn)題限制了量子器件的效率與規(guī)模化發(fā)展。

為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用“逆向設(shè)計(jì)（inverse design）”方法，對(duì)金剛石表面的一種二維微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自動(dòng)優(yōu)化。最終形成的器件尺寸僅約1微米，大約只有人類(lèi)頭發(fā)絲寬度的百分之一。

這一特殊結(jié)構(gòu)能夠像“漏斗”一樣，將光壓縮并聚焦成高度局域化的納米光束，即“光子納米噴流”，從而精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)金剛石中的單個(gè)量子缺陷。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)還能像光學(xué)天線一樣，提高缺陷發(fā)射光子的提取效率。

為了驗(yàn)證這一概念，研究團(tuán)隊(duì)在合成金剛石樣品中，對(duì)經(jīng)典的“氮空位中心（NV Center）”進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并成功實(shí)現(xiàn)了單缺陷探測(cè)。

圖文解析

圖1.光子提取器的自由形式拓?fù)鋬?yōu)化

研究人員表示，與此前一些復(fù)雜的納米光學(xué)結(jié)構(gòu)相比，這種“納米噴流”器件具有明顯優(yōu)勢(shì)。一方面，其制造工藝更加簡(jiǎn)單，采用的是較為成熟常見(jiàn)的微納加工技術(shù)；另一方面，其結(jié)構(gòu)對(duì)材料本身的破壞較小，更容易與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝兼容，因此更適合未來(lái)規(guī)模化量子器件制造。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該技術(shù)未來(lái)有望廣泛應(yīng)用于量子磁場(chǎng)傳感、量子通信以及固態(tài)量子計(jì)算架構(gòu)。例如，在量子傳感領(lǐng)域，它能夠幫助探測(cè)更微弱的磁場(chǎng)信號(hào)，從而推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)成像、無(wú)GPS環(huán)境導(dǎo)航等技術(shù)的發(fā)展；在量子計(jì)算領(lǐng)域，則有助于提升單個(gè)量子比特的操控和讀出能力，并增強(qiáng)量子信息在不同量子比特之間的傳輸效率。

此外，研究人員還指出，這種結(jié)構(gòu)甚至能夠在較低品質(zhì)的金剛石材料中實(shí)現(xiàn)單缺陷探測(cè)，而無(wú)需依賴昂貴的高純度金剛石晶體，這意味著未來(lái)低成本量子傳感器的開(kāi)發(fā)將更具可行性。

目前，該器件已在滑鐵盧大學(xué)量子納米制造與表征平臺(tái)完成制備。研究團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)劃將這一技術(shù)擴(kuò)展到更多半導(dǎo)體材料體系，包括碳化硅等新型量子材料，以探索更多量子發(fā)射體的應(yīng)用潛力。