近日，深圳校區集成電路學院宋清海教授、周宇教授團隊在光量子器件領域取得重要進展，研究成果以《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)。研究團隊在絕緣層上碳化硅(SiCOI)波導中成功制備了單個電子和核自旋的糾纏態，展示了在常溫條件下對這些自旋的有效控制能力。
 

　　研究團隊在碳化硅(SiCOI)上首先制備單個電子自旋陣列，并通過精細操控展示了這些自旋的相干特性。他們將特殊的碳化硅(SiC)外延層晶圓與氧化硅晶圓結合，并通過磨削和拋光技術將碳化硅(SiC)層減薄到200納米。隨后，利用離子注入技術在碳化硅(SiC)層中引入雙空位自旋，并通過光磁共振(ODMR)技術驗證了自旋的特性。在碳化硅(SiC)中，約有1.1%的碳原子和4.7%的硅原子具有核自旋。他們成功識別了一種特定類型的碳化硅量子缺陷，發現核自旋與電子自旋之間的強耦合能夠實現快速的量子操作。通過特定的實驗，他們觀察到自旋狀態的躍遷，并測量了自旋的去相位時間。這些發現為碳化硅(SiC)片上集成的光量子信息處理提供了重要基礎。最后，他們將這種電子-核糾纏量子寄存器集成到光波導中，在波導中成功實現了接近100%的核自旋極化，并制備了最大糾纏貝爾態，通過量子態層析測量糾纏保真度為0.89。該實驗結果表明，量子寄存器的光發射和自旋在集成后保持穩定，糾纏也能夠穩定保持在室溫的光波導中。這一成果展示了碳化硅平臺高效的自旋控制、糾纏與片上集成能力，進一步推進了集成光量子信息技術在量子網絡和量子傳感領域的應用。
 

　　哈工大深圳校區為論文第一完成單位。哈工大深圳校區胡海搏博士和中國科學院上海微系統與信息技術研究所伊艾倫副研究員為論文共同第一作者。哈工大深圳校區宋清海教授、周宇教授，中國科學院上海微系統與信息技術研究所歐欣研究員為共同通訊作者。
 

　　該研究獲國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省量子科學戰略專項、深圳市科技計劃、新基石科學基金會等項目支持。
 

波導集成的SiC 電子-核量子糾纏示意圖