中國青年學者一作，最新Nature Nanotechnology，填補空白！

能和光對話的量子芯片來了,三量子比特在硅中糾纏成功!

在邁向量子互聯網的道路上，如何讓自旋量子比特與光子高效“對話”，一直是科研界最關鍵的挑戰之一。固態顏色中心因能夠同時容納電子自旋與核自旋，從而構成可持久存儲的量子寄存器，并通過光學方式實現初始化與讀出，因此被寄予厚望。但要真正將顏色中心放入一個可制造、可擴展的硅光子平臺中，并在自然硅環境里利用其構建出多個可控量子比特，長期以來都面臨極大的技術門檻。尤其是 T 中心這一具備通信波段光發射能力的硅缺陷，它的潛力雖備受關注，但此前從未有人在芯片平臺上展示過一個可初始化、可操控、可糾纏的多量子比特寄存器。

在此，加州大學伯克利分校Alp Sipahigil助理教授團隊的最新研究填補了這一空白。他們將T中心成功集成進一條硅基單模光波導中，使其電子自旋與自帶的氫核自旋，以及自然存在的 29Si 核自旋，共同構成了一個三量子比特寄存器。更重要的是，這組三比特在光子接口的幫助下，可以完成一整套完整的量子操作，包括高保真初始化、相干操控、光學讀出，以及核自旋之間的糾纏生成。研究人員最終實現的核自旋 Bell 態具有約 0.77 的糾纏保真度，其相干維持時間達到毫秒級，而三個量子比特本身的相干時間更能長達數十毫秒甚至百毫秒級。這項成果充分表明，在不進行同位素純化的自然硅中，T 中心仍然能夠工作在非常高的量子質量標準之上，使硅光子平臺成為未來構建可擴展量子網絡節點的現實路徑。相關成果以“Entanglement of a nuclear spin qubit register in silicon photonics”為題發表在《Nature Nanotechnology》上，中國學者Hanbin Song為第一作者。

Hanbin Song

研究首先從器件結構開始。團隊在硅基光子芯片上構建了一條帶有布拉格反射鏡的單模波導，并在其旁邊布置超導微波傳輸線，用于向自旋施加微波與射頻信號（圖1a）。T 中心本身由兩個碳原子和一個氫原子形成，其基態擁有一個電子自旋，并與氫核自旋以及周圍可能出現的 29Si 核自旋發生超精細耦合。當施加靜磁場后，T 中心的光學能級發生明顯的自旋相關分裂（圖1b），使研究人員能夠利用雙激光的光致發光激發譜，對不同自旋態對應的光學躍遷進行區分（圖1e）。這一過程同時幫助確定電子自旋的共振頻率約為 7.3 GHz，也意味著 T 中心已經可以作為量子比特進行尋址。

圖1：展示硅光子波導與超導傳輸線結構、T 中心能級結構、超精細分裂、雙激光 PLE 光譜、以及脈沖 ODMR 測得的電子自旋譜

在掌握光學接口后，研究團隊進一步通過脈沖 ODMR 技術解析了電子自旋的超精細結構。在圖1f 的實驗結果中，電子自旋共振峰被分裂成四組，正是由于其同時受到氫核自旋和硅核自旋的組合狀態影響。這種清晰可區分的超精細結構，使電子自旋可以作為條件控制門的核心，從而實現對核自旋狀態的條件操作。隨后通過圖2a 的實驗，研究者展示了電子自旋的 Rabi 振蕩，證明其能夠進行精準旋轉。更關鍵的是其相干性能。電子自旋的 Ramsey 測量給出了數微秒量級的相干時間（圖2b），而采用 Hahn 回波后可延長至約四百微秒（圖2c）。在進一步使用 XY8 動態解耦序列后，相干時間甚至提升到毫秒量級，這一結果對硅平臺量子比特而言極具突破意義。

圖2：電子自旋的 Rabi 振蕩、Ramsey 相干測量以及采用不同動態解耦序列后的回波相干時間提升

在掌握電子比特的穩定操控后，研究團隊將注意力轉向核自旋寄存器。由于核自旋天然具備更長的相干時間，它們是理想的量子存儲單元。為實現核自旋讀出，研究人員構建了一個將核自旋狀態映射到電子自旋的控制門（圖3b）。通過重復執行讀出循環，他們驗證了核自旋在光學激發條件下仍具備良好的穩定性。隨后在電子自旋固定于某個特定態的情況下掃描射頻信號，可以清晰看到屬于氫核自旋與硅核自旋的兩組共振峰（圖3c）。其中，兩者間約 2 kHz 的微小頻率偏移，為核–核雙量子比特門提供了可選擇性的操作窗口。在核自旋的相干性方面，研究結果同樣令人矚目。氫核自旋的初始相干時間可達數毫秒，采用 Hahn 回波后可延長至超過百毫秒；而硅核自旋的相干時間也能達到數十毫秒（圖3e–3f）。這樣的性能使得它們成為天然的“量子存儲器”，能夠在網絡節點中承擔長期保存量子信息的角色。

圖3：T 中心的超精細結構、核自旋讀出序列、H/Si 核自旋的 NMR 信號、Rabi 與 Ramsey 測試，以及核自旋回波相干與壽命測量

在能夠對兩個核自旋進行獨立操控后，研究團隊進一步展示了核自旋之間的糾纏生成。他們首先將三比特系統初始化到一個完全確定的初態，再依次施加對兩個核自旋分別選擇性的旋轉脈沖，從而生成氫核與硅核組成的 Bell 態（圖4a）。隨后，通過相位反轉層析技術對該態進行測量，并借由振蕩數據重建其關鍵密度矩陣元素（圖4b–4c），最終得到約 0.77 的糾纏保真度。更進一步的相干性測試顯示，這些糾纏態能夠維持數毫秒，足以滿足量子網絡節點在光通信延遲范圍內的穩定交換需求（圖4d）。

圖4：核–核糾纏生成電路、相位反轉層析方法、Bell 態密度矩陣重建，以及不同 Bell 態的相干時間。

小結

整體來說，這項研究首次在硅光子平臺上實現了一個三比特寄存器的初始化、相干控制、光學讀出和核自旋糾纏。所有操作均可在自然硅中完成，不依賴昂貴且難以規模化的同位素純化過程。同時，得益于硅光子工藝的成熟度，這類器件在未來不僅能夠批量制造，還能夠與更復雜的光子網絡、波導陣列和片上集成光學組件深度結合，為大型量子網絡構建可擴展的基本單元。作者在論文結尾指出，通過進一步優化微波線設計、提升門保真度、改善磁場方向以及引入復合脈沖，寄存器規模甚至有可能擴展到十個量子比特以上。而當更多 T 中心被納入同一硅芯片時，一個具備可復用、可并行操作能力的量子處理節點將真正成為可能。