微型金刚石光束，缓解量子芯片光损耗难题

在微型金刚石光束外围搭建光路，能够更好地保留未来量子计算机与量子网络所需的光信号。搭建量子网络，往往会遇到棘手的材料难题。金刚石可以承载量子发射器，也就是能够产生光信号的微小结构；而另一些材料更适合制作传输光信号的光子线路。把这两类材料结合在一起时，光信号常会在连接位置发生损耗。

美国与韩国研究人员采用一种可实现组件自对准的制备工艺，将金刚石与二氧化钛光子线路集成。相关论文发表于《Light: Science & Applications》。研究证明，该集成方案可以压低光损耗，芯片能够与金刚石量子发射器耦合，并引导光信号在线路中传输。

论文第一作者、JILA与科罗拉多大学博尔德分校研究生Kinfung Ngan表示：“我们希望找到一种实用方案，把高性能量子发射器和集成光子器件结合起来，同时不用承受巨大的光损耗。”

单芯片实现光与自旋调控

研究人员将微型金刚石光束放入预先制备好的结构中，金刚石光束可自行对位。随后在其外围制作二氧化钛光子器件。这种在制备阶段就实现自对准的方案，避免了早期量子发射器与光路集成方案里，因定位偏差带来的额外光损耗。

材料集成完成后，金刚石负责产生光信号，二氧化钛线路为光信号提供片上传输通道。光源为硅空位色心，是金刚石原子结构内的微小缺陷。研究团队在混合光学腔中将光限制在该发射器周围，提升了发光效率，同时验证发射器发出的光子可以在光路中传输。

借助这块芯片，研究人员还可以把发射器的自旋调整到初始状态并读取自旋信息，从而操控这一可承载信息的量子特性。

论文通讯作者、韩国科学技术院资深研究员Dongyeon Daniel Kang称：“这项工作在同一平台同时实现发光增强、片上自旋控制以及高效光子路由，为可扩展量子光子芯片指明了可行路线。”

在金刚石外围构建光路

该平台支持更多先进设计，能够在宽波段范围内高效收集光信号。凭借这一兼容性，研究人员可以使用这套材料集成方案，搭建功能更丰富、规模更大的光子线路。

论文通讯作者、JILA研究员兼科罗拉多大学博尔德分校助理教授Shuo Sun表示：“这项研究攻克了一项关键集成瓶颈，为大规模光子量子处理器与量子中继器带来新机遇。” 量子中继器用于延长量子通信网络的传输距离。

这套组装方法除金刚石、二氧化钛之外，也适用于其他量子发射器与光子材料，可拓展到更多光源和光路的组合方案。