量子计算再进一步！在SiC上实现异质集成量子光源

电子发烧友综合报道 中国科学院2月18日宣布，量计量光上海微系统与信息技术研究所在集成光量子芯片领域取得重要进展。算再C上实现中国科学院表示，进步集成该研究采用“搭积木”式混合集成策略，异质源将III-V族半导体量子点光源与CMOS工艺兼容的量计量光碳化硅（4H-SiC）光子芯片异质集成，构建出新型混合微环谐振腔。算再C上实现这一结构实现了单光子源的进步集成片上局域能量动态调谐，并通过微腔的异质源Purcell效应提升了光子发射效率，为光量子芯片的量计量光大规模集成提供了全新解决方案。

该项研究成果已经同步发表在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）期刊上，算再C上实现我们通过论文来分析一下该项研究的进步集成具体细节。

在量子通信、异质源量子计算等场景里，量计量光信息是算再C上实现通过一个个光子来进行传播的，而光子就是进步集成光的最小单位。但在利用光子进行信息传播的过程中，实际操作会遇到一些问题，比如我们生活中常见的LED灯会一次发出几十亿光子，而你无法控制LED灯发出光子的数量。但量子技术需要严格控制光子，一次只发射出一个光子。

另外是效率问题，如果造出了一次只能发射一个光子的光源，但也有可能因为发光效率太低，光子无法发射出芯片外，这同样无法使用。传统硅基材料，比如SiN、Si等，缺乏直接带隙和电光效应，难以集成高效单光子源（SPSs）等主动器件。

而碳化硅，尤其是4H-SiC具有高折射率、低损耗、CMOS兼容性及宽透明窗口，是理想的光子集成平台，但其自身缺乏高效量子发射材料。GaAs量子点作为固态量子发射体，可产生确定性单光子，但与其他光子平台的集成存在挑战。

具体来说，4H-SiC和InGaAs量子点很难融合在一起，集成在同一芯片上。所以这项研究的重要创新，就是如何将这两种材料集成在一起，并输出高质量的单光子。

研究团队开发出一种混合微环谐振（HMRR），通过转移印刷技术将含量子点的GaAs波导集成到SiC微环上，形成三维堆叠波导结构，实现耳语环模式（WGMs）的光限制与耦合。简单来说就是让光在SiC微环上跑圈，形成会回声室效应，这样能够令光子产生Purcell效应，加快光的速度。同时能够让光子集中在微环附近的波导里流出芯片，便于控制光子方向。

随后，在HMRR旁集成TiN微加热器，通过热光效应动态调谐量子点发射波长（调谐速率0.13 nm/mW），覆盖一个自由光谱范围（FSR≈4 nm），使量子点与腔模共振。这是为了量子点和微环频率实现匹配。

在通过HMRR的结构优化后，量子点的发光速度快了5倍，原本量子点发一个光子要2.25纳秒，和微环共振后缩短到0.5纳秒；单光子的纯度高达99.2%。同时HMRR还具备可扩展性，多装几个微环和加热器，就能独立控制多个量子点，未来可组装成芯片上的量子网络。

总结下来，该项研究主要的突破在于，实现了基于SiC的高质量无源器件与GaAs量子点的混合集成，无需复杂键合或电子束光刻。与此同时，转移印刷技术实现低损耗异质波导耦合，促进了全固态量子电动力学系统的芯片集成。

而这些突破，将为未来大规模的量子网络、量子计算等技术奠定基础。

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