哈工大深圳校区宋清海、周宇团队在碳化硅集成光量子纠缠器件领域取得新突破

哈工大全媒体（阚思邈 李晓慧 周宇/文 周宇/图）近日，深圳校区集成电路学院宋清海教授、周宇教授团队在光量子器件领域取得重要进展，研究成果以《室温下波导集成的半导体光子平台量子寄存器》（Room-temperature waveguide integrated quantum register in a semiconductor photonic platform）为题，发表于《自然通讯》（Nature Communications）。研究团队在绝缘层上碳化硅（SiCOI）波导中成功制备了单个电子和核自旋的纠缠态，展示了在常温条件下对这些自旋的有效控制能力。

研究团队在碳化硅（SiCOI）上首先制备单个电子自旋阵列，并通过精细操控展示了这些自旋的相干特性。他们将特殊的碳化硅（SiC）外延层晶圆与氧化硅晶圆结合，并通过磨削和抛光技术将碳化硅（SiC）层减薄到200纳米。随后，利用离子注入技术在碳化硅（SiC）层中引入双空位自旋，并通过光磁共振（ODMR）技术验证了自旋的特性。在碳化硅（SiC）中，约有1.1%的碳原子和4.7%的硅原子具有核自旋。他们成功识别了一种特定类型的碳化硅量子缺陷，发现核自旋与电子自旋之间的强耦合能够实现快速的量子操作。通过特定的实验，他们观察到自旋状态的跃迁，并测量了自旋的去相位时间。这些发现为碳化硅（SiC）片上集成的光量子信息处理提供了重要基础。最后，他们将这种电子-核纠缠量子寄存器集成到光波导中，在波导中成功实现了接近100%的核自旋极化，并制备了最大纠缠贝尔态，通过量子态层析测量纠缠保真度为0.89。该实验结果表明，量子寄存器的光发射和自旋在集成后保持稳定，纠缠也能够稳定保持在室温的光波导中。这一成果展示了碳化硅平台高效的自旋控制、纠缠与片上集成能力，进一步推进了集成光量子信息技术在量子网络和量子传感领域的应用。

哈工大深圳校区为论文第一完成单位。哈工大深圳校区胡海搏博士和中国科学院上海微系统与信息技术研究所伊艾伦副研究员为论文共同第一作者。哈工大深圳校区宋清海教授、周宇教授，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员为共同通讯作者。

该研究获国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省量子科学战略专项、深圳市科技计划、新基石科学基金会等项目支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54606-2

波导集成的SiC 电子－核量子纠缠示意图