图1 碳化硅波导中的电子-核自旋纠缠示意图
量子网络和量子传感的构建离不开核-电子量子寄存器，它们利用电子与原子核的自旋来存储和处理信息。而如何将这些自旋集成到微型芯片上并制造出更紧凑的量子器件和芯片成为研究热点。SiC作为基础的量子材料，不但能够在小尺度上控制自旋，让电子自旋保持稳定，还能提供丰富的核自旋资源，进而实现广泛应用。因此，研究人员将目光锁定到碳化硅上，成功在绝缘层上的碳化硅（SiCOI）光波导中制造出单个电子和核自旋的纠缠态，然后在室温下将纠缠态集成到光子波导中，并将量子信息处理的部件直接嵌入光路，从而在集成后获得了高达0.89的纠缠态保真度。
图2 波导集成的SiCOI两比特寄存器
随后，研究人员利用SiC光波导包裹住一个量子寄存器（名为PL6 C），结合特殊的显微镜，证实了量子寄存器已成功嵌入到光波导中，且荧光被波导有效地限制和引导。结果显示，集成到光波导中之后，量子寄存器的光发射和自旋属性仍然保持高度性能稳定性，且实现了接近完美的核自旋极化，并制备了一个被称作Bell态的特殊量子态，其保真度没有明显下降。这证明了量子寄存器可以无缝集成到光子结构中，为未来量子通信和量子计算的光量子集成芯片提供了新的可能性。
哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生胡海搏与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共同第一作者，粤港澳大湾区（广东）量子科学中心、哈尔滨工业大学（深圳）宋清海/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本论文的共同通讯作者。该工作的开展和完成得到了广东省量子科学战略专项的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54606-2
原文始发于微信公众号（粤港澳大湾区量子科学中心）：量子科学中心研究人员在碳化硅光量子器件领域取得重要进展
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