location：新技术使光子与基于钻石的量子比特之间的确定性相互作用成为可能，为量子网络应用铺平了道路。
华盛顿——研究人员开发并展示了一种新型混合光子平台，该平台将量子发射体与光子器件集成，提供了一种可靠控制光子与量子信息载体相互作用的方法。该基于芯片的平台结合了磷化镓（GaP）和金刚石基板，有望通过提供长距离连接量子器件的方式，使量子网络更加实用。
将量子技术扩展到建立通信网络需要将量子记忆或量子比特跨越长距离连接。尽管光纤网络提供了利用光信号实现这一目标的有前景方式，但关键挑战是如何可靠地将存储在量子比特中的信息转换为可通过网络传播的光学光子。
“我们展示了我们的混合集成GaP-on-diamond纳米光子平台，能够通过实现光子与钻石中一种称为硅空（SiV）中心的量子比特之间的可靠控制相互作用，来解决这一挑战，”该论文的第一作者、华盛顿大学的Nicholas S. Yama表示。“GaP还具有强大的非线性特性，能够实现光频转换、交换和调制，这些都是网络应用所必需的。”
说明： 研究人员已证明，他们新型混合集成的GaP-on-diamond纳米光子平台能够在钻石中实现光子与硅空中心（SiV）之间的可靠控制相互作用。
图片来源：Nicholas S. Yama，华盛顿大学
在Optica出版集团的期刊《Optica Quantum》中，华盛顿大学和太平洋西北国家实验室的Kai-Mei C. Fu领导的研究团队介绍了他们的新型混合平台，包括他们开发的可扩展制造工艺，旨在解决基于钻石的光子器件制造长期面临的挑战。他们利用该工艺在钻石基板上制造了600多个GaP纳米光子腔，产率达99.5%。
山明表示：“如果GaP-on-diamond被证明是一条可行的未来路径，它将成为实现量子网络大规模实现、如安全通信和密码学等实际应用的最直接途径之一。”“同样的技术还可以支持更广泛的量子计算应用，而能够创建跨越大距离的量子系统，则可能开辟远超网络的可能性。”
克服分离的挑战
GaP-on-diamond作为钻石基量子比特的潜在可扩展平台已被研究十余年。然而，让光子器件和SiV中心足够强相互作用以可靠控制量子比特一直很困难。这需要一种称为高协同性的状态，在这种状态下，相互作用足够强以产生确定性行为。
““山明说：”直到现在，由于GaP光子层在空间上与钻石中的SiV中心分离，实现高协同率一直很困难。”“早期设备通过部分蚀刻钻石来缓解这一问题，但由于该工艺非标准，使用成熟的制造方法难以大规模化。”
说明：两块不同的2毫米钻石芯片，带有冲压的GaP器件，被粘贴在冷冻的冷手指上，冷却至4K。每块芯片上排列着十六组40纳米光子腔。
图片来源：Nicholas S. Yama，华盛顿大学
经过多次迭代，他们将邮票转印工艺的率率提升至近100%。他们还将SiV和光子学的物理分离整合进设计优化流程，使得在不牺牲器件其他方面的情况下，大幅提升了交互性。
新平台结合了两种材料的优势。未蚀刻的钻石为传递量子信息所需的强烈SiV-光子相互作用提供了纯净的载体，而GaP则使开关和调制器等光学元件能够直接集成到芯片中。
山明表示：“我们的GaP-on-diamond平台最终有望将多个SiV量子比特连接在单芯片上，集成开关、调制和波导与SiV量子比特并行，而不必依赖独立的外部组件。”“在这项工作中，我们展示了关键的基本组件——SiV-光子耦合——能够正常工作，这有望使未来这些更大规模的网络芯片成为可能。”
说明：新平台得益于研究人员开发的可扩展制造工艺。他们利用制造工艺在钻石基板上制造了超过600个GaP纳米光子腔（如图），产率达99.5%。
图片来源：Nicholas S. Yama，华盛顿大学
测试新平台
为了演示这些器件，研究人员首先在载体底物上生长了一层GaP膜。随后，他们利用电子束光刻工艺将纳米光子腔器件图案化到膜中，并用光学光谱测试其性能，以确保其具有正确的性能。他们挑选了最优的设备，并通过他们开发的邮票转印工艺将其转移到钻石基底。
利用激光，他们证明了器件实现了超过一的协同性，意味着相互作用足够强，使得通过器件散射的光能可靠检测到SiV自旋态。每个自旋态都产生了独特的谱特征，使研究人员能够“观察”SiV量子比特在状态间切换。这些器件的自旋弛豫时间超过0.4毫秒，结合高协同性，使得单次读取SiV电子自旋成为可能。
接下来，研究人员希望将两个或多个GaP-on-diamond SiV器件连接在同一芯片上，并展示它们可以相互纠缠形成更大的量子寄存器。他们还计划进一步优化制造工艺，这将提升协同性值，同时实现更复杂的集成光子芯片布局。
混合集成方法可能应用于硅伏中心和钻石以外的应用。例如，难以与传统全金刚石光子学集成的量子比特有可能与GaP-on-diamond结合。类似方法也可以应用于其他量子发射体平台，如碳化硅和二维材料中的单发射体，为量子技术的扩展提供新工具。
论文：N. S. Yama， C.-C.吴，F. 哈塔米，K.-M.C. Fu，《可扩展纳米光子平台中的高效自旋-光子相互作用》，4,511-517（2026年）。