核-电子量子寄存器是构建量子网络和进行量子传感时不可或缺的部件。它们利用电子和原子核的自旋来存储和处理信息，这些自旋就像是量子世界中的小磁针。现在，科学家们正在研究如何把这些自旋集成到一个很小的芯片上，这样就能制造出更紧凑的量子器件和芯片。要做到这一点需要一种特殊的材料，它既能在小尺度上控制自旋，又能在工业上广泛使用。碳化硅就是这样一种材料，它有很大的潜力。因为它可以让电子自旋保持稳定很长时间，这对于量子信息处理来说非常重要。而且，它还能提供很多核自旋，这对于量子网络来说就像是额外的存储空间。
最近，哈尔滨工业大学（深圳）的宋清海/周宇团队联合上海微系统与信息技术研究所欧欣团队在这方面取得了重要进展。他们成功地在一种叫做绝缘层上碳化硅（SiCOI）波导里制造出了单个电子和核自旋的纠缠态。这意味着研究人员能够让一个电子和一个原子核的自旋以一种特殊的方式连接起来，这种连接在量子计算中是很有用的。文章还展示了如何在普通的室温条件下控制这些自旋，并制造出了一个比较精确的量子纠缠态。更进一步，研究人员还把这种纠缠态集成到了光子波导中，这就像是把量子信息处理的部件直接放到了光路里，实验结果表明，即使在集成之后，这些自旋的特性仍然保持得很好，纠缠态的保真度维持在0.89。
一：SiCOI平台单个自旋阵列的制备
图一：在SiCOI上制备单个电子自旋阵列
研究人员成功地在一种SiCOI上制备了单个电子自旋阵列，并通过精细的操控展示了这些自旋的相干特性。这一过程首先涉及将一种特殊的SiC外延层晶圆与另一种氧化硅晶圆紧密结合，然后通过精心的磨削和抛光技术，将SiC层减薄至微米级别。最后通过腐蚀研究人员得到了一个仅200纳米厚的SiC层（图一）。为了在SiCOI晶圆中引入具有特定属性的双空位自旋，研究人员采用了一种精确的离子注入技术。研究人员使用电子束光刻技术在碳化硅层上制造出细小的孔阵列，然后通过这些孔将碳离子注入晶圆，形成了所需的双空位自旋。这一过程需要在高温下进行退火，以修复由于离子注入可能引入的晶格损伤。为了验证这些自旋阵列的成功制备和特性，研究人员构建了一个直接成像系统，并使用一种特殊的相机捕捉到了这些自旋阵列的图像。研究人员还使用一种名为光磁共振（ODMR）的技术来测试这些自旋的特性，结果显示这些自旋具有与理论预测相符的特定频率响应，证实了它们是单个电子自旋。最后，研究人员展示了对这些单个电子自旋进行精确操控的能力，通过观察Rabi振荡和Ramsey条纹，研究人员能够测量出自旋的相干时间，这是量子信息处理中的一个重要参数。这些成果表明，SiCOI晶圆不仅能够保持单个电子自旋的关键特性，还能在实际应用中实现对这些自旋的有效操控。
二：单个电子自旋与核自旋的耦合
图二：SiCOI中单个电子自旋-核自旋耦合系统
在自然的SiC中，约有1.1%的碳原子（13C）和4.7%的硅原子（29Si）具有核自旋。当这些核自旋与PL6中的电子自旋相互作用时，会形成强耦合，这对于实现快速的量子操作和高效的量子存储非常重要。研究人员成功识别了一个电子-核自旋耦合系统PL6 B，单个PL6电子自旋与第一壳层的13C核自旋紧密耦合。在这个系统中，研究人员使用特定的符号来表示电子和核自旋。通过实验，研究人员发现，当核自旋位于特定位置时，电子和核自旋之间的耦合足够强，可以导致能级的分裂。研究人员还观察到，在没有外部磁场的情况下，这些自旋状态可以被单独控制。在实验中，研究人员选择了一个适当的磁场，以便更好地控制这些自旋的跃迁。研究人员通过特定的脉冲序列来驱动核自旋的振荡，并测量了自旋的去相位时间。此外，研究还表明，通过选择不同的核自旋或采用特定的技术，可以有效延长自旋的相干时间。除了对单个13C核自旋的控制，研究人员还成功地对单个29Si核自旋进行了相干控制。这些发现为SiC片上集成的光量子信息处理进一步发展提供了重要的基础。
三：将电子-核量子纠缠集成到波导中
图三：波导集成的SiCOI两比特寄存器
该研究在SiC量子光子芯片的开发上取得了显著进展，尤其是在量子寄存器方面。研究团队在SiCOI平台上成功生成并精确定位了单个空位自旋，利用动态光泵浦技术在常温下实现了高达98%的单核自旋极化。这一成果不仅展示了高效的自旋控制能力，还进一步推进了量子信息技术，尤其是量子网络和量子传感领域的应用。在量子寄存器的构建上，研究团队通过纳米级定位技术，首次将纠缠量子寄存器集成到SiC光子波导中。这一集成方法不仅保证了量子寄存器的光学和自旋量子特性，同时也为SiC色心在量子应用中的芯片集成提供了新思路。与体材料相比，芯片级集成在量子传感和量子网络中显示出了显著优势。特别是在量子传感方面，通过芯片级路由嵌入量子传感器，消除了对顶部激光曝光的依赖，进一步提升了传感灵敏度，并可实现多节点传感。在量子网络的构建方面，SiC光子集成电路的作用至关重要。光子集成电路能够通过先兆协议纠缠远程自旋，并通过光子晶体腔增强光-物质相互作用，从而大幅提高纠缠生成的速率。这一工作为实现自旋-光子纠缠生成、多节点量子网络及其远程纠缠提供了新思路。
