磷化镓-金刚石混合平台增强量子光与物质相互作用
Hybrid GaP-on-diamond platform strengthens quantum-light interactions
研究人员将磷化镓（GaP）纳米光子腔通过印章转移工艺集成到金刚石衬底上，增强与金刚石色心的量子光学相互作用。器件先在载体上的GaP薄膜中用电子束光刻制成，经光谱测试筛选后转移，实验获得高于1的协同性。该平台可用于量子网络中的光与物质接口。
原文说明了异质集成工艺和筛选转移流程，对金刚石色心量子光子器件的制备路线有参考价值
2026年10月15日
混合型GaP-on-diamond平台增强量子光相互作用
新技术实现光子与金刚石基量子比特之间的确定性相互作用，为量子网络应用铺平道路
华盛顿 — 研究人员开发并演示了一种新型混合光子平台，将量子发射体与光子器件集成在一起，为可靠控制光子与量子信息载体之间的相互作用提供了一种方法。该芯片级平台将磷化镓（GaP）与金刚石衬底相结合，有望通过提供一种在远距离连接量子器件的方式，使量子网络更加实用。
扩展量子技术以构建通信网络，需要在远距离上连接量子存储器，即量子比特。尽管光纤网络利用光信号为实现这一目标提供了有前景的途径，但一个关键挑战在于如何可靠地将存储在量子比特中的信息转换为能够在网络中传输的光子。
图注： 研究人员证明，他们的新型混合集成GaP-on-diamond纳米光子平台能够在光子与金刚石中的硅空位（SiV）色心之间产生可靠可控的相互作用。
图片来源：Nicholas S. Yama，华盛顿大学
“我们证明，我们的混合集成GaP-on-diamond纳米光子平台能够通过实现光子与一种称为金刚石中硅空位（SiV）色心的量子比特之间的可靠可控相互作用来应对这一挑战，”论文第一作者、来自华盛顿大学的Nicholas S. Yama表示。“GaP还具有很强的非线性特性，可实现光学频率转换、开关和调制，这些都是网络应用所必需的。”
在Optica Publishing Group期刊Optica Quantum上，由Kai-Mei C. Fu领导的来自华盛顿大学和太平洋西北国家实验室的研究人员描述了他们的新型混合平台，包括他们为解决金刚石基光子器件制造中长期存在的挑战而开发的可扩展制造工艺。他们利用该工艺在金刚石衬底上制造了600多个GaP纳米光子腔，良率达99.5%。
“如果GaP-on-diamond被证明是一条可行的前进道路，它可能是实现大规模量子网络、用于安全通信和密码学等实际应用的最直接途径之一，”Yama说。“同样的技术还可以支持更广泛的量子计算应用，而构建跨越大距离的量子系统的能力可能开辟远超网络领域的可能性。”
图注：两块不同的2-mm金刚石芯片上压印有GaP器件，被粘贴到低温恒温器的冷指上，冷却至4 K。每块芯片上排列有16组、每组40个纳米光子腔。
图片来源：Nicholas S. Yama，华盛顿大学
克服分离挑战
GaP-on-diamond作为金刚石基量子比特的潜在可扩展平台已被研究了十多年。然而，要使光子器件与SiV色心之间的相互作用强到足以可靠控制量子比特，已被证明十分困难。这需要进入一种称为高协同性的状态，在该状态下相互作用强到足以产生确定性行为。
“迄今为止， 由于 GaP 光子层与金刚石中的 SiV 色心在空间上相互分离， 在 GaP-on-diamond 结构中实现高协同性一直很困难，”Yama 说，“早期器件采用对金刚石进行部分刻蚀来缓解这一问题，但由于该工艺并非标准工艺，难以用成熟的制造方法实现规模化。”
2023 年，Fu 的研究组证明，他们可以采用可扩展的印章转移工艺，在不改性金刚石的情况下制造 GaP-on-diamond 器件。然而，其光学相互作用强度不足以满足实际应用需求。在新研究中，他们重新审视方案并重新设计了结构，以提升性能，同时完善制造工艺。
图注：研究人员开发的可扩展制造工艺使新平台成为可能。他们利用该工艺在金刚石衬底上制造了 600 多个 GaP 纳米光子腔（如图），良率达 99.5%。
图片来源：Nicholas S. Yama，University of Washington
经过多轮迭代，他们将印章转移工艺的良率提高到接近 100%。他们还将 SiV 与光子结构之间的物理隔离纳入设计优化流程，从而在不牺牲器件其他性能的前提下大幅增强相互作用。
新平台结合了两种材料的优势。未刻蚀的金刚石为实现量子信息传输所需的强 SiV-光子相互作用提供了纯净的宿主材料，而 GaP 则使开关和调制器等光学元件能够直接集成到芯片上。
“我们的 GaP-on-diamond 平台最终可用于连接单个芯片上的多个 SiV 量子比特，将开关、调制和光波导与 SiV 量子比特集成在一起，而不必依赖独立的外部元件，”Yama 说，“在本研究中，我们证明了关键的基础元件——SiV-光子耦合—— 是可行的，这有望在未来实现更大规模的网络化芯片。”
测试新平台
为演示这些器件，研究人员首先在载体衬底上生长 GaP 薄膜。随后，他们利用电子束光刻工艺在薄膜上制备纳米光子腔器件图案，并通过光谱测试其性能，以确保其具备正确特性。他们挑选出性能最佳的器件组，并通过所开发的印章转移工艺将其转移至金刚石衬底上。
借助激光，他们证明这些器件实现了大于 1 的协同性，这意味着相互作用强度足以通过器件散射的光可靠地探测 SiV 自旋态。每种自旋态都会产生独特的光谱特征，使研究人员能够“观察”SiV 量子比特在不同状态之间的切换。这些器件的自旋弛豫时间还超过 0.4 毫秒，结合高协同性，实现了 SiV 电子自旋的单次读出。
接下来，研究人员希望在同一芯片上连接两个或更多 GaP-on-diamond SiV 器件，并证明它们能够相互纠缠，形成更大的量子寄存器。他们还计划进一步优化制造工艺，以提高协同性数值，同时实现更复杂的集成光子芯片版图设计。
这种混合集成方法很可能可用于SiV色心和金刚石以外的应用。例如，难以与传统全金刚石光子学集成的量子比特，有可能与金刚石上的GaP（GaP-on-diamond）相结合。类似的方法也可适配到其他量子发射体平台，如碳化硅和二维材料中的单发射体，为扩展量子技术规模提供新的工具。
论文：N. S. Yama、C.-C. Wu、F. Hatami、K.-M. C. Fu，《Efficient spin-photon interactions in a scalable nanophotonic platform》，4, 511-517 (2026)。
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来源：Optica 新闻中心 · optica.org