鱼骨形光子晶体腔实现金刚石与二氧化钛电路异质集成

艺术家示意图：金刚石纳米梁（蓝色）通过鱼骨形光子晶体腔与二氧化钛集成电路实现耦合。[图片：Shuo Sun 等]

美国和韩国的科学家展示了如何解决一个棘手问题：将能够高效发射量子粒子的材料与最适合制造集成量子电路的材料结合起来（Light: Sci. Appl., doi: 10.1038/s41377-026-02339-w）。他们认为，其方案利用自对准来最小化金刚石与二氧化钛之间的耦合损耗，应能使量子计算机和量子网络更易于扩展。

扩大制造规模

物理学家如今已能常规地从多种固态系统中产生单光子和纠缠光子，包括半导体量子点、金刚石色心和有机分子。然而，在此类材料中大规模制造光子电路仍是一项持续的挑战。另一方面，天然适合此类制造的材料——如硅、氮化硅和铌酸锂——无法高效发射具有所需线宽和相干时间的光子。

解决这些问题的一种方法是实现异质集成：在同一平台上结合两种不同材料。这一策略在经典光子学中已被证明是成功的，例如可将 III-V 族半导体制造的激光器与硅等低损耗材料相结合。然而，量子电路的要求更为苛刻。即使材料界面处的耦合存在轻微失配，也可能破坏非经典光的脆弱态。

利用异质集成

在最新研究中，由美国 JILA 和科罗拉多大学博尔德分校的 Shuo Sun 领导的团队展示了如何将异质集成应用于量子电路。该团队将光刻胶图案化为鱼骨形光子晶体腔的形状，并将一根 200 nm 宽的金刚石纳米梁插入图案的“脊柱”中。随后在光刻胶上沉积一层二氧化钛（非常适合集成光子学），再去除光刻胶，研究人员便得到了一个二氧化钛腔，该腔与金刚石中的硅空位中心几乎无缝耦合。

他们表示，该工艺的关键在于插入由电子级单晶金刚石制成的纳米梁。他们指出，梁和鱼骨腔脊柱的宽度均小于可见光波长，因此无法用光学显微镜引导操作。于是他们将脊柱末端做成漏斗形，让腔体本身引导纳米梁（由钨探针夹持）就位——漏斗通过一系列步骤校正梁的取向，直至其与脊柱对齐。

他们测得二氧化钛与金刚石界面处的散射损耗在 737 nm 波长下不超过 1.3%。随后他们进行了一系列测试以验证装置性能，结果表明该腔至少将空位中心的发射速率提高了三倍。他们还实现了对发射光子自旋的控制，并利用二氧化钛光子芯片读出了该自旋。

迈向更复杂的器件

此外，他们还证明逆向设计应能实现更复杂器件的构建。特别是，他们模拟构建了一种量子光提取器，可将色心的宽带发射耦合进光波导中的单一模式——他们表示，这是芯片集成单光子源的关键组件。

“综合来看，这些结果标志着向固态量子发射器与大规模光子电路的可扩展、高效集成迈出了重要一步，”他们写道，并补充说，他们的方案不限于金刚石和二氧化钛，还可应用于“各种固态量子发射器与薄膜光子器件的集成，前提是能够实现保形沉积。”

研究人员指出，他们目前用于沉积二氧化钛的技术——原子层沉积——速度较慢，不太适合制造几百纳米厚的光子电路。但他们表示，可以采用更快的方法来制造这些器件，例如物理气相沉积，前提是能确保集成电路中的所有表面都被均匀镀覆。

他们还指出，实验中实现的最大 Q 值 4,600 并不出色。但在这方面，他们同样认为有望实现显著改进，因为目前的限制来自二氧化钛内部的损耗和制造缺陷，而非两种材料的集成。他们表示，通过优化光刻曝光剂量并稳定电子束写入，应能将 Q 值提升至约 20,000，使发射速率进一步提高 150 倍。事实上，若具备足够精密的纳米加工能力，该团队认为有望接近 Q 值 100,000 的理论极限。

如果科学家们能将该技术推进到这样的性能水平，他们声称它可用于制造一系列面向量子通信和信息处理的器件。特别是，通过在大规模电路中同时集成众多发射器，他们表示有望构建具备复用存储器的量子中继器，从而可能实现国家级乃至洲际尺度的量子纠缠。