硅光子腔阵列中的多路复用色心

与量子比特对话的光

构建未来的“量子互联网”需要能够通过光子在长距离上传递脆弱量子信息的器件。本文探讨了一种将许多微小量子光源集成到硅芯片上的新方法——同一材料也用于日常计算处理器——使它们可以通过单一光学连接被访问和控制。

像人造原子一样的微小缺陷

在超纯硅内部，某些精心制造的缺陷，称为色心，可以捕获单个电子并发射单个光子。这里研究的特定类型称为T色心，其在用于现有光纤网络的电信波长处发光，并能在电子自旋中长时间存储量子信息。这使得T色心成为量子中继——用于扩展量子通信距离的器件——的有吸引力的构件。但每个T色心本身发光微弱且发射速率较慢，这使得构建快速、高效的链路变得困难。

用微型腔体帮助色心更明亮地发光

研究人员通过将T色心置于微观光学腔体中来提高其亮度——这些纳米结构区域可困住光并促使缺陷更快且以优选方向发射光子。腔体沿一条靠近单根“总线”波导的线路排列，波导是沿芯片传输光的窄通道。与其为每个腔体设置独立连接，不如通过这根共享总线使用单一输入和输出即可到达每个腔体，从而使系统更易于扩展。

通过一条通道编程多个光源

为了将该结构变成灵活的平台，团队开发了一种在制造后“调谐”每个腔体颜色的方法。他们在芯片上覆盖一层薄薄的固氮，整体将腔体颜色向更长波长移动。然后，通过在总线中以恰当频率照射激光，他们局部加热选定的腔体，使该处的氮蒸发，仅在那些位置将腔体推回到较短的波长。这样就能在阵列中逐个调节腔体颜色。利用该方法，他们将多腔体与不同的T色心对齐，并演示了位于不同位置的两个独立缺陷可以通过同一总线并行地被增强和驱动。通过快速切换驱动激光的频率，他们将来自两个色心的单光子以时分复用的方式合并到单一输出流中，同时确认每个色心仍保持高质量的单光子源特性。

能远距离协同工作的腔体

因为所有腔体共享同一总线，它们还可以通过泄漏到波导并从端部镜反射回来的光互相作用。当两个腔体被调谐到相近颜色时，它们的共振会发生杂化，形成分布在两个位置上的联合“明亮”与“暗”模。明亮模与总线强耦合并迅速损耗能量，而暗模则更为孤立且寿命更长。团队测量了这些杂化模在芯片反射中的表现，并使用解析模型提取腔体之间相干光交换的强度以及它们共同向总线的能量损失。通过在其中一个相互作用腔内放置单个T色心，他们展示了当杂化模在频域上经过该发射体时，其发射寿命会以微妙而可预测的方式改变，证明单个发射体可以被跨越两处远距离腔体的非局域光学模增强。

通向可扩展量子网络的路径

最后，作者讨论了将此类器件转变为大型量子网络真正构件所需的条件。目前，可并行操作的T色心数量受制于每个腔体在颜色上能被定义得多窄以及材料中T色心频率的分布。他们概述了现实可行的改进——更锐利的腔体、更清洁且位置更精确的发射体，以及利用应变或电场的额外控制——这些改进可能使每根波导上的数十个T色心能够同时工作。借助更好的光-物质耦合，这些阵列不仅可以高效地通过长距离光纤发送单光子，还可以直接在同一芯片上的缺陷之间生成纠缠，从而使基于硅的模块化量子处理器与量子中继的愿景更接近现实。

引用: Lukasz Komza, Xueyue Zhang, Hanbin Song, Yu-Lung Tang, Xin Wei, and Alp Sipahigil, "Multiplexed color centers in a silicon photonic cavity array," Optica 12, 1400-1405 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.564691

关键词: 量子网络, 硅光子学, 色心, 单光子源, 电信波长