芯片集成的确定性单光子源：发展、挑战和机遇【量子光子学与集成光子量子电路】

芯片|Vol 1 |2022年秋季王X-D. 等人芯片1，100018（2022）1月22芯片评论PHOTONICSDOI：10.1016/j.chip.2022.100018波导耦合确定性量子光源和用于集成的量子光子学王旭东1，2，刘伟，朱一凡1，2，金婷婷1，2，欧伟文1，2，欧欣1，2，张佳祥1，2，张伟1中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室中国科学院大学材料科学与光电子工程中心，北京100049电 子 邮 件 ： wangxudong@mail.sim.ac.cn （ Xu-Dong Wang ） ， jiaxiang.zhang@mail.sim.ac。张嘉祥摄Cite as：Wang，X.-D. 等人集成量子光子学的波导耦合确定性量子光源Chip1，100018（2022）.https://doi.org/10.1016/j.chip.2022.100018收稿日期：2022年接受日期：2022年在线发布时间：2022年集成光子量子电路（IPQC）由于其在量子信息科学中的广泛应用，近年来引起了虽然最具想象力的量子技术（诸如量子通信、量子计算机和量子模拟）对芯片集成的量子光源的可扩展性施加了严格的约束。通过引入尺寸受限的纳米结构或晶体缺陷，低维半导体已经被广泛地探索为芯片级确定性单光子源（SPS）。到目前为止，各种芯片集成的确定性SPS已经在单片和混合光子平台上进行了研究，包括分子，量子点，色心和二维材料。随着利用确定性量子发射体产生单光子的芯片级技术的迅速发展，IPQC领域提出了新的挑战和机遇。在本文中，我们强调了波导耦合确定性SPS发展的可扩展IPQC的最新进展，并回顾了专门用于设计这些WG耦合SPS的光学特性的生长后调谐技术展望了集成光子学对量子工程工具箱的要求关键词：单光子源，片上，集成电路，后生长工程，低维半导体介绍自20世纪初量子物理学建立以来，将基本量子理论用于实际应用的想法特别是在过去的几十年里，在控制单个量子系统（如原子）方面取得的巨大成功为将经典技术重塑为量子体系提供了重要的机会，例如具有前所未有的计算能力的量子计算机3-量子技术的重要性日益增加，需要物理平台来编码信息。到目前为止，离子阱11、核磁共振12、超导体13和隔离固态系统14已经被广泛探索。在这些不同的方法中，光子由于其突出的特性而被广泛接受，包括极弱的退相、光速传输和丰富的自由度来编码量子信息，例如偏振15、轨道角动量16、路径17和时间信息18。特别吸引人的是，光子可以通过使用线性光学组件轻松操纵，从而允许光学量子计算和长距离操作的量子密码学商业系统的开创性演示3，19，20。经过多年的基础研究，光子量子技术的实际应用已经触手可及。玻色子采样，作为一个杰出的候选人，以证明量子计算的力量在短期内，已实现显示量子计算的优势21迄今为止，已经提出了不同的量子密钥分发（QKD）方案，以实现具有物理实现的安全量子密码，例如测量设备无关（MDI）QKD24-26、基于纠缠的量子隐形传态是量子通信科学的核心，其也可以使用按需纠缠光子发射器34、35来实现。在过去的几十年里，人们对实际执行越来越感兴趣。虽然在科学实验中已经探索了这些好处，但目前最大的挑战是实现一个可扩展和方便的平台，用于实际部署和商业化36正如光电子集成电路（IC）的发展路线图一样，实现实用的光子量子技术需要一个集成平台。集成光子量子电路（IPQC）提供了这样一个平台。与块体光学器件形成鲜明对比，在块体光学器件中，单独的光学元件、透镜、分束器等被集成到块体光学器件中。安装审查DOI：芯片|Vol 1 |2022年秋季王X-D. 等人芯片1，100018（2022）2月22日∼在大型光学平台上，IPQC已被视为朝着有用的光子量子技术的发展迈出的重要一步从实践的角度来看，IPQC可以带来许多好处，例如由于芯片尺寸和占地面积的小型化而降低功耗，通过先进的光刻技术创建的内在相位稳定的波导（WG），大量光学部件的高密度集成，以及以较低的成本增加大规模生产复杂的光子电路39。由于这些优点，IPQC表现出它们作为强大的平台来实现复杂的量子算法，具有所需的可扩展性，稳定性和可行性。在线性光量子计算机制的框架中，完整的光子量子系统包括许多基本光子组件，例如反射镜、透镜、单光子源（SPS）和光子检测器20。其中，固态SPS在光子量子技术中发挥着关键作用14。它们为产生光子量子比特（qubit）提供了不可或缺的资源，而光子量子比特是最受期待的光子量子技术所依赖的。半个世纪前，第一个SPS基于原子系统40进行了实验验证。在生产性能优越的SPS方面取得了重大进展。如今，最广泛使用的SPS依赖于自发参数下转换或自发四波混频41、42。它们都可以用来产生具有高达每秒106光子的高速率的预示单光子43此外，通过采用各种纳米光子器件，例如硅线WG和谐振器48、49、激光写入的二氧化硅WG50、周期性极化的锂离子酸盐（PPLN）WG45、51等，这些源可以容易地集成在光子芯片上.这些非线性SPS通常具有纳米光子器件的几何形状，其促进与大规模光子电路42的单片集成。因此，它们是IPQC当前开发的主力，使新一代量子光学处理器能够解决从计算和通信任务到生物学和化学中的传感和模拟等各种主题的广泛应用中的实际问题21，22，52尽管有这些进步，但非线性SPS固有地是有问题的，并且它们只能在低激发概率的区域中操作，其中状态主要在真空状态或多光子状态中产生。采用全固态类原子量子发射体可以减轻片上非线性SPS的概率性质这些源是有吸引力的，因为它们在固定的时间间隔内产生单光子，并且一次仅发射一个光子，从而产生术语确定性SPS 55。目前已经研究了许多用于高性能SPS的材料，例如分子、III-V族半导体量子点（QD）、宽带隙材料中的色心和二维层状半导体。它们对于产生具有高单光子纯度和高不可吸收性的光子的巨大适用性和可行性已经在最近的实验中得到证实56此外，这些确定性量子发射器的主要优点是它们被并入微腔中的灵活性，使得可以以受控方式调整单光子发射性质，如自发发射速率和相干性60最感兴趣的是，这些确定性量子发射器是固态材料，其允许与光子WG朝向大规模光子量子电路63的可靠集成。目前，确定性量子发射器已经为开发多功能基于芯片的SPS做出了贡献，以探索先进的集成量子技术57，63。近年来，在将确定性量子发射器与各种低损耗集成光子量子电路集成方面取得了令人印象深刻的进展，例如基于硅64、65、氮化硅66、砷化镓67和锂氧化物68的集成光子量子电路。随着利用确定性量子发射器在芯片级产生量子光的快速发展，IPQC领域提出了新的研究方向。挑战和机遇。本文综述了近年来利用不同的材料平台和量子工程方法开发芯片集成的确定性表面等离子体的研究进展。本文的主要内容如下：首先回顾和比较了用于在片产生单光子态的各种固态材料平台，并对目前最主要的集成技术如单片集成、异质晶片键合、拾放组装和转印等进行了总结。接下来，我们将讨论到目前为止开发的后生长调谐技术，以工程师的芯片集成的SPS的光学特性最后，我们提供了一个展望，并讨论了未来可能的方向。IPQCS的准静态量子光源量子光发射器是IPQC的核心，到目前为止，已经考虑了多种物理系统作为芯片集成量子光源的候选者，包括分子、自组装QD、色心和二维材料。在本节中，我们将回顾这些常用的固态量子发射器，以实现可扩展的IPQC。一般来说，孤立的单分子具有类Λ能级，由单重基态和激发态、三重中间态和相关的振动声子态69当一个孤立的分子用激光泵浦时，电子从基态振动能级光学转移自从首次观察到反聚束单光子发射74以来，分子已被广泛研究和利用。先前的工作表明，固态的单分子可以提供有竞争力和可靠的单光子发射特性，具有许多关键优势56，75，76。例如，有机染料分子可以具有强的零声子线（ZPL），并且它们的线宽可以达到傅里叶变换极限77，78。这些强度提供了非常明亮和稳定的光子源，在固态中具有最高程度的相干性，因为分子的ZPL可以在低温温度79下以接近零的声子诱导的纯退相速率缩小到其自然线宽。同时，基于分子的SPS通常可以以低成本合成，因此具有极高的灵活性，在一致性、可扩展性和与不同集成平台80值得注意的是，基于分子的SPS在IPQC中的应用直到基于有机分子的量子发射器与介电光子电路81的混合集成才得以实现。在这项开创性的工作中，首先在沉积在玻璃模具上的SiN薄膜上制造由脊WG和光栅耦合器组成的纳米光子电路（参见图1a中的上图）。采用二苯并三萘嵌苯（DBT）和蒽（Ac）的混合溶液，通过滴注法在SiN脊形WG上制备了SPS。在与WG的导模的倏逝尾耦合的电介质WG附近发现的单个DBT分子通过用二极管激光器泵浦DBT分子，荧光可以耦合到SiN脊WG中，然后通过光栅耦合器在两个相反的方向上散射，如光学图像中所确认的（参见图1a的底部面板）。图Ib示出了在源和光栅位置处收集的光子的归一化自相关函数（g（2）（τ））。在零延迟时间（τ0）处的抑制下降验证了反聚束荧光，并证实了集成在SiN光子电路上的DBT分子的真正单光子发射。审查DOI：芯片|Vol 1 |2022年秋季王X-D. 等人芯片1，100018（2022）3月22日±×∼= ±100=±图1|室温下有机分子基量子光源与电介质WG的混合集成。a，光稳定DBT分子与SiN纳米光子WG的混合集成。b，单DBT分子的归一化自相关经Lombardi et al.许可转载。81© 2018美国化学学会。除DBT分子外，其他一些分子，如多环芳烃（PAHs）、二苯并蒽（DBATT）等，也表现出类似的电子能级和单光子发射性质，具有高度的相干性和寿命限制 线宽只有几十兆赫73，78，83，84.当考虑到这些基于分子的SPS的有利性质时，例如高量子产率、易于制造和处理、小尺寸和在不同波长下的可用性，成功地与低损耗光子电路集成的基于分子的SPS在IPQC的开发中发挥关键作用的前景看好82，84。自组装半导体量子点自组装量子点自2000年首次展示以来，基于SPS的自组装量子点已经成为研究领域的主题。由于它们的类原子特征，自组装QD可以实现同时具有高亮度、纯度和不可分辨性的确定性SPS 55，90。特别地，基于QD的SPS已经成功地用于高速率多光子玻色子采样量子应用，这已经被证明是传统参数下转换源91难以处理的。从实际设备应用的角度来看，半导体QD可以容易地嵌入发光二极管（LED）中，以便实现电驱动SPS和纠缠光子源（EPS）92这一突出的特征使得复杂和庞大的激光系统的使用变得容易，因此，在不久的将来，可以预期由宏观分离的基于QD的量子光源操作的成熟的光电量子网络应用，例如量子密钥分配（QKD）30，96最令人感兴趣的是，半导体量子点与III-V族化合物（例如，GaAs）基于光子学，从而允许与光子芯片的单片集成，以实现大规模IPQC。基于量子点的SPS的单片集成目前，在单片集成光子量子芯片中实现高性能SPS方面已经取得了重大进展61，87。突破包括从WG耦合的QD产生和路由共振激发的荧光的早期演示，如图2a中示意性地描绘的。单片集成WG的几何结构由GaAs/AlGaAs脊WG，其中包含一个单一的InGaAs量子点层。通过对单个量子点的时间分辨光致发光（PL）进行时间滤波，并同时结合芯片集成的超导纳米线单光子探测器（SNSPD），单片光子集成电路可以对单个量子点进行时间分辨激发光谱，从而实现线宽为10 1μ eV85的共振荧光的显著演示。不久之后，更多的功能已经在这种单片GaAs基光子集成平台上实现。成果包括由定向耦合器100或多模干涉（MMI）耦合器101实现的无源分束器的演示。当耦合GaAs WG中的QD并集成SNSPD时，这种集成分束器86已经实现了具有确定性单光子的芯片上自相关测量（参见图2b和c）。尽管按需单光子发射被认为是自组装QD的优势，但该领域尚未展示出高收集效率、纯度和朝向所需可扩展性的不可扩展性为此，关键的一步是将自组装量子点与纳米光子腔集成。到目前为止，已经实现了QD与单片集成光子芯片中的布拉格光栅腔107和光子晶体（PhC）腔108通过利用Purcell增强，耦合在光子晶体WG（PCW）内的QD可以允许平面内偶极子的强损耗率抑制，从而导致QD发射到GaAs纳米光子WG109的导模的接近1的耦合效率。利用该方法，可以实现具有高质量单光子发射的平面光子电路，包括变换限制110，高速率（每秒1.22 × 108光子）和高效率（ （84%）确定性单光子发射57。当进一步组合旨在分离激光和发射光子的双模WG时（参见图2d），最近已经实现了对单片集成QD的共振脉冲激发方案87，这导致成功证明了同时具有高纯度（g（2）（0））的相干和稳定SPS。 0.020 0.005）、高抗渗性（V 96.2%）和高耦合效率（ 80%）进入WG（参见图2e）。提高单光子发射质量的另一种方法是将QD与微电子谐振器61耦合，如图2f所示。在共振激发下，通过Purcell效应实现了量子点自发发射率的2倍以上增强，从而证明了具有低至1%的强抑制多光子发射概率的片上单光子产生和具有高达95%的可见度的双光子干涉（图11）。 2 f）。类似于方向耦合器或MMI装置，最近展示了机电致动器以实现片上分束器88的机电控制。这些电路之一的SEM图像可以在图中看到。 2G，其基于形成定向耦合器的纳米束波导。光-电-机械相互作用可以带来一个益处，因为它能够实现比折射率调谐效应强得多的分束，从而潜在地减少这种装置的占用面积通过仅施加外部电压以机械地调谐两个波导之间的耦合距离，机电致动器允许约23 dB的最大分束比、0.67 dB的插入损耗以及0.67 dB的最大分束比。审查DOI：芯片|Vol 1 |2022年秋季王X-D. 等人芯片1，100018（2022）4月22日图 2|在液氦温度下基于量子点的量子发射体的单片集成。a. GaAs脊形波导，其包含单层InGaAs QD和NbN超导单光子探测器。b，包括共振激发的QD、BS、两个SNSPD和作为覆盖物的AlN/Al双层的器件的示意图。c，通过脉冲谐振激励的片上二阶相关测量。d，所制造的杜拉模式WG器件的扫描电子显微镜图像，包括Y型分束器和光子晶体波导。e，Hong-Ou-Mandel干涉仪的示意图，用于测量由激光脉冲间隔延迟的两个f，左图：基于DBR WG的环形谐振器的艺术方案。右图：在π-脉冲激发功率下记录的脉冲共振荧光的二阶相关函数直方图记录的共偏振和交叉偏振单光子的双光子干涉直方图g，单光子路由器的假色SEM。a，经Reithmaier et al.许可转载。85© 2015美国化学学会。b-c，经Schwartz等人许可复制。86© 2018美国化学学会。d-e，经Uppu et al.许可复制。87© 2020作者。f，经Dusanowski et al.许可转载。61© 2020美国化学学会。g，经Papon et al.许可转载。88© 2019美国光学学会。一个亚微秒的响应时间。这样的器件是构建先进的量子光子芯片架构的重要组成部分。基于QD的SPS与基于硅的材料平台的混合集成尽管值得注意的是，到目前为止，已经投入了很大的努力来将基于QD的SPS集成到基于硅的光子平台上，所述基于硅的光子平台适合于CMOS兼容的制造技术65，106。近年来，我们在这一领域取得了长足的进展，并取得了突破性的进展，其中包括基于量子点的确定性SPS的演示和各种低损耗光子电路的实现，如硅，氮化硅等111.为了将在不同材料平台上开发的不同光子器件集成在单个芯片单元中，已经系统地研究了不同的异构集成方法最近，通过从硅光子112、113借用直接晶片键合技术的思想，以这种方式，低温等离子体激活的直接晶片键合过程被部署来键合SiN晶片和含有自组装InGaAs QD的III-V GaAs管芯。然后用湿法化学腐蚀方法去除GaAs衬底，在SiN衬底上形成了纳米厚的GaAs薄膜。然后使用两步电子束光刻分别在SiN和GaAs膜上制造纳米光子结构，使得能够制备SiN光子电路和QD耦合的GaAs WG（参见图3a中的草图和图3b中的混合集成WG）。在混合IPQC的首次演示中，通过设计绝热锥形WG几何学，允许SiN和含QD的GaAs WG利用SiN光子电路的晶片规模生产，直接晶片键合方法，随后是精确的纳米加工工艺，提供了一种可行的手段来实现QD与纳米束光子腔的有效耦合，以便通过Purcell增强效应实现优化的由于外延生长的QD的位置是随机分布的，因此用于基于QD的SPS的混合集成的直接晶片键合对QD发射到WG中的耦合效率设置了严格限制，尤其是对于纳米光子腔结构114。在这方面，后来开发了拾取和放置方法，通过该方法可以预先表征WG耦合的QD，然后将其转移到诸如硅104、105或氮化硅66的光子电路上。通过自制的纳米操作工具，将钨针尖安装在一个高精度的工作台上，可以实现这种拾取-放置方法最近的工作103、115已经示出了将预先表征的纳米线QD成功地集成到SiN光子电路的期望位置上，如图3c所示。当与微扰滤波器组合时，已经实现了混合光子量子芯片中的高级功能，例如确定性量子发射器的芯片上波分复用和激发抑制（图3d和3e）。值得注意的是，拾取和放置方法可以通过使用装配在聚焦离子束（FIB）系统104中的钨微探针来实现。利用高分辨率电子束成像系统，可以将纳米光子器件拾取并转移到任意光子平台上，精度为数十纳米。用这种方法，混合集成的确定性量子点-审查DOI：芯片|Vol 1 |2022年秋季王X-D. 等人芯片1，100018（2022）5月22日图 3|基于QD的量子发射器与基于硅的材料平台的混合集成。a.概念性混合光子集成平台，由无源Si 3 N 4 WG网络和直接集成的GaAs纳米光子器件组成。b，模式转换器几何形状的尖端的假色SEM。c，所制造的混合量子光子电路的示意图，包括InP纳米线中的InAsP QD，其与Si 3N4 WG和片上可调谐环形谐振器滤波器集成。曲线图d和e示出了在环形谐振器的分出端口和通过端口之间选择性地路由光学过渡的结果。f，通过拾取和放置工艺制造的集成InP纳米梁和硅WG的示意图。插图：WG分束器上单个QD发射的二阶相关直方图。g，在具有玻璃包覆的CMOS处理的硅WG上转印的基于纳米腔的QD SPS。h，集成在CMOS处理的硅光子电路上的强耦合量子点腔系统。插图：含QD的纳米束光子晶体腔。a-b，经Davanco等人许可复制102© 2017作者。c–e, 103© 2017作者。f经Kim等人许可转载。104© 2017美国化学学会。g，经Katsumi et al.许可转载105© 2019作者。本文在知识共享署名（CC BY）许可下发布h，经Osadaet al.许可转载。106© 2019美国物理学会。具有CMOS兼容的硅光子学的基于SPS最近已经被证明104。此外，具有Y分支分束器的纳米束-腔耦合QD的成功演示允许在具有确定性SPS的硅光子上进行片上分束器操作（参见图2）。 3 f）。执行异质集成任务的另一种方式是采用转印方法，其模仿用于原子厚过渡金属二硫属化物116的确定性转印的全干式粘弹性冲压技术。与拾取和放置方法不同，转印方法仅依赖于粘弹性印模并且不采用任何湿化学步骤。因此，在该过程中不涉及毛细管力。在高分辨率显微镜的辅助下，转印方法可以达到与拾取和放置方法相当的高精度。最近，转移印刷方法已成功地应用于将含有QD的纳米束腔与硅光子电路集成（参见图1）。图3g和h），使得能够将从QD发射的单光子近乎统一地耦合到硅WG 105和CMOS处理的硅光子芯片106上的强耦合的QD腔量子电动力学系统中。基于量子点的SPS与新型材料平台的混合集成在设计高性能IPQC时，展望快速可重构光子电路至关重要。从这个角度来看，强电光非线性和致密的绝缘体上薄膜在其用于光子量子电路的超快速度调制的高潜力量子比特到高速量子处理器。这一额外要求要求为IPQC36，68，117，118的高级开发提供新的材料平台。随着最近干法刻蚀技术的突破，基于LiNbO3绝缘体上薄膜（LNOI）的集成光子学在集成光子学方面取得了重大进展，在超快光调制和光子开关中展示了巨大的应用119，120。这些努力使薄膜LiNbO3成为集成量子应用的多功能平台68，121。通过利用技术进步，最近已经尝试将自组装QD与LiNbO3光子电路122集成。如图4a所示，InAs量子点嵌入在InP纳米束中，并且它们充当电信频带中的单光子的有效源该混合器件是在FIB系统中使用拾放技术制造的。通过直WG和Y分支分束器的片上单光子产生和路由成功实现，并在光子相关测量中得到证实（见图1）。 4b）。除了LNOI之外，另一种材料，即，4 H-SiCOI（4 H-siliconcarbide on insulator）由于其优异的CMOS兼容性和强的二阶光学非线性等特性，近年来成为实现大规模光量子电路的有力竞争者。基于QD的SPS与这种新型材料平台的成功集成可以为集成光子学打开额外的设计空间，并实现在其他平台上不可用的芯片上的新型功能。鉴于上述优点，最近已经证明了基于确定性QD的SPS与低损耗4 H-SiCOI光子平台的第一混合集成123，如图12中的草图所示。 4杯这审查DOI：芯片|Vol 1 |2022年秋季王X-D. 等人芯片1，100018（2022）6月22日图 4|基于量子点的量子发射器与新型材料平台的混合集成。a，左图：由嵌入InP纳米梁中的LiNbO 3 WG和InAs QD组成的混合平台的图示。右图：混合器件的草图，显示InP纳米梁一侧的布拉格反射器和另一侧的绝热锥形b，二阶光子相关测量。插图：具有片上LiNbO3分束器的集成InP纳米梁的假彩色SEM图像c，在4 H-SiCOI材料平台上设计的MMI器件的示意图。锥形GaAs纳米光子WG集成在MMI设备的输入WG上。d，制造的MMI器件的SEM图像。紫色指示在MMI装置的输入WG上转移的锥形GaAs纳米光子WG。e、MMI器件的PL图。f，在脉冲激光激发下从分离的光栅耦合器收集的激子光子的归一化互相关函数。a-b，经Aghaeimeibodi等人许可复制122© AIP出版社。 123© 2022作者。(For关于e中对颜色的引用的解释，请读者参考原始文章的网络版本。采用转印法制备了混合光子量子芯片。图4d示出了所制造的芯片的典型扫描电子束显微镜（SEM）图像。设计了一种由锥形WG组成的双层垂直耦合器，实现了量子点发射到4 H-SiC WG的有效耦合。通过在4 H-SiCOI光子电路上设计一个50：50多模干涉仪（MMI）来评估这种混合光子量子芯片的潜力。在4 H-SiCOI上成功演示了50/50多模干涉仪（MMI），从而实现了具有触发单光子的片上分束器操作（图4e和f）。在这项工作中展示的基于自组装量子点和4H-SiCOI材料的混合光子量子芯片提供了一个可行的路线，走向行业标准和CMOS兼容的集成光子量子电路与可能的快速电光光调制器和确定性SPS。基于QD的SPS的确定性原位电子束光刻技术由于外延生长的QD的位置在不存在位点受控生长128的情况下随机分布，因此与光子结构的耦合效率受到这种非完美空间对准的影响。为了避免这个问题，需要原位电子束光刻（EBL），其已经在129，130年中发展。在扫描电子显微镜（SEM）中通过阴极发光预先确定量子发射体的位置，然后可以在低温下图案化纳米结构除了像微透镜这样的小对称结构之外，片上电路也可以以大约40 nm125的高分辨率确定性地图案化。已经报道了经由原位EBL将预先选择的QD确定性地集成到多模干涉（MMI）分束器中，并且通过自成像效应的单光子的片上引导和分束首次由片上Hanbury-Brown和Twiss（HBT）实验125证实此外，原位EBL还可以用于包含精确定位的QD的混合集成量子光子器件，这允许观察的后选择的不可区分的光子，并指出了一个有前途的路径，异质IQPC 127，如图1所示。 五、原位EBL的另一个实际应用是使波导中的位置相关手性最大化，这提供了系统地探索作为发射器从波导126的中心的位移的函数的手性光物质耦合的机会。作为一种很有前途的确定性积分方法，原位电子束边界层没有拾取-放置技术繁琐的过程。值得注意的是，借助于对准标记131-宽带隙半导体中的固态缺陷最近，光学可寻址固态缺陷已经成为IPQC的新平台。它们能够将固态自旋与可以传输量子信息135的鲁棒飞行量子比特（光子）对接。值得注意的是，在纳米光子结构中容易产生自旋缺陷使得芯片上集成方便，从而有望实现IPQC的相当大一个有希望的固态缺陷，具有第二尺度时间相干自旋量子比特的特征，是金刚石136中的带负电荷的氮空位（NV）中心。它的电子自旋态可以被光学初始化、操纵并耦合到核自旋态。这允许经由贝尔状态测量137由光子介导的静止自旋量子比特之间的纠缠分布。这个过程被称为自旋光子纠缠138，139，是量子中继器的核心，旨在增加量子通信的距离。尽管具有巨大的潜力，但金刚石是自然界中最硬的材料，并且纳米光子WG图案化仍然非常具有挑战性140，141，特别是对于NV的637 nm左右的波长。应当注意，混合集成方案提供了在光子电路中耦合NV中心的可行手段它的第一个恶魔-审查DOI：芯片|Vol 1 |2022年秋季王X-D. 等人芯片1，100018（2022）7月22日图 5|基于量子点的SPS的确定性原位电子束光刻技术。确定性原位EBL器件制造工艺：a，7K下的阴极发光图。b.在显影过程中去除可溶性EBL抗蚀剂。c.在预选QD的位置处图案化接入光子元件的波导。d，在非共振脉冲激发下来自片上HBT测量的归一化二阶光子自相关测量。e，用于制造确定性QD波导结构的原位EBL光刻的图示，其用于系统地探索手性光-物质耦合。图f，晶片键合集成和原位EBL制造工艺后的GaAs-Si3N4器件设计示意图 125© 2018美国化学学会 e，复制与hpermissio n从先生owi n'skietal. 12 6©2019AmericanChemicalSociety. f，与Schnauber et al的perm issio n一起复制。127© 2019美国化学学会。图 6|作为IPQC中量子光源的宽带隙半导体中的固态缺陷。a，具有多个量子节点的SiN PIC的草图。下图：FDTD模拟（Ex场），显示了从单模金刚石WG到单模SiN WG的模式转移。b，上图：通过共焦收集的归一化自相关测量g（2）（τ），确认在低温（18 K）下的单光子发射。底部面板：通过WG的光子之间的互相关测量确认通过WG收集的大部分光子源自单个NV。c，金刚石上的GaP盘谐振器的图示，其将来自单个NV中心的ZPL光子谐振耦合到单模WG。d，具有调谐到所选ZPL（蓝色曲线）上并从ZPL失谐（橙色曲线）的腔的光栅收集PL。插图：在8K下的光子自相关测量，其中双指数拟合以红色示出。e，超连续激光（白色）透射测量设置。f，具有PhC腔和垂直激发WG的Ta2 O5结构的扫描电子显微照片。下图：来自FDTD模拟的PhC腔模式分布。g，在室温下对PhC腔中的NV中心的二阶自相关函数g（2）（τ）测量。h，悬浮纳米梁阵列的SEM图像。下图：所制造器械的横截面。i，在5 K温度下的二阶相关测量，其中腔与单个发射体的一个跃迁共振，揭示g（2）（0）= 0。08. a-b，经Mouradian et al.许可转载142© 2015美国物理学会。c-d，经Gould et al.许可转载。143© 2016美国物理学会。e–g, 144© 2020美国化学学会。h-i，经Lukin et al.许可转载124© 2019作者，由Springer Nature Limited独家授权（对于本图图例中颜色参考的解释，读者可参考原始文章的网络版本。在图142中，通过干法蚀刻200 nm厚的单晶金刚石膜来制备NV中心耦合的金刚石纳米光子WG，并且通过使用FIB系统中的微探针将它们转移到SiN光子电路上。 混合平台示意性地示于图1A中。早上6实验上，4μ m长的锥形终止于金刚石WG的每一侧并且这种几何形状使得从NV ZPL到下面的SiN WG的耦合效率为42.5%。收集的光子的二阶自相关性证实了嵌入金刚石WG内部的单个NVs的单光子发射，具有低的反聚束如g（2）（0）= 0.07（见图1上图）。 6 b）。互相关方法审查DOI：芯片|Vol 1 |2022年秋季王X-D. 等人芯片1，100018（2022）8月22日∼===×=×对从源位置和WG端收集的光子进行了测量，结果（g（2 ）（0）0.48）表明沿SiN WG的单光子路由是成功的。实现NV中心的芯片集成的另一项工作是混合金刚石上GaP平台的演示，其中具有单个NV中心的微盘解析器被布置成耦合到单模GaP WG，如图6c所示。该方法利用GaP（n）的高折射率3 .第三章。（3）与金刚石相比（n 2. 4）用于限制光。通过采用微盘谐振腔，可以利用Purcell效应来增强ZPL光子发射。这种设计克服了与位于金刚石中的发射器和位于GaP中的引导光学模式之间的固有较弱耦合相关联的主要缺点。如图6d所示，有/没有Purcell增强的光谱的比较，分别对应于橙色和蓝色曲线，提供了腔和ZPL之间有效共振 用ZPL与腔模共振测量的进一步光子自相关验证了单光子发射的量子性质（图中的插图）。 6 d）。混合光子电路，实验证明了高的WG光子数和实质性的Purcell增强，可以实现基于NV中心的可扩展的集成量子网络代替使用单晶体金刚石，纳米金刚石中的NV中心为片上SPS124提供了灵活的选择。通过将纳米金刚石定位在绝缘体上钽覆层（Ti2O5 OI）WG中的PhC的中心，最近的工作144已经实现了NV中心与具有高品质因数的PhC腔的芯片上集成，从而提供了涉及NV中心的有效纳米光子界面（图6e）。从NV中心到纳米光子WG的引导光学模式中的反聚束PL发射已经通过采用相关测量而被揭示（图2）。 6e）。这种纳米金刚石与纳米光子架构的成功集成取代了主流的块状金刚石，这使得能够在芯片上同时控制大量的单个量子系统。为了规避硬金刚石材料所带来的制造挑战，高度需要具有合适的固态自旋缺陷的新材料平台。在这种情况下，4 H-碳化硅（4 H-SiC）最近已被证明是非常有前途的，因为它可以容纳许多光学可寻址的、长寿命的和良好隔离的自旋缺陷145。如前所述，4 H-SiC是CMOS compat- ible材料，这一特性使其便于片上集成。当考虑通过离子切片技术制备的4 H-SiCOI材料时，直接将它们应用于IPQC中是不可能的，因为在切片过程中注入高剂量的离子超过用于产生空间可分辨的单个缺陷的剂量4个数量级146。对高质量4 H-SiC薄膜的迫切需求促使开发了通过独特的制造工艺预处理的4 H-SiCOI材料的高质量薄膜，包括直接晶片键合、研磨和抛光方法124，147。应该注意的是，这种混合集成方法使得4 H-SiCOI衬底能够具有与块状SiC晶体相同的晶体质量，从而允许超高质量（Q）系数PhC空腔（Q 6. 3 10 5，见图6 h）和微型磁盘解析器（Q7. 147. how do you know？由于这种4 H-SiCOI材料中的低本征缺陷密度，需要额外的氢离子注入工艺来将色心（硅空位）制备到制造的纳米梁PHC中，以在CMOS兼容架构中产生WG集成SPS（参见图6i）。薄膜4 H-SiC与行业标准纳米光子学处理技术的兼容性提供了基于铸造的器件制造和复杂光学互连的优势所有这些前景将使4 H-SiC平台在大型量子网络和通过光子电路可重构性的所有固态光子量子平台上都有希望。迄 今 为 止 ， 已 经 报 道 了 60 多 种 类 型 的 过 渡 金 属 二 硫 属 化 物（TMD），并且其中二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硒化钨（WSe2）、二硒化钼（MoSe2）和六方氮化硼（hBN）是被充分研究的半导体化合物148。它们由具有结构式MX2的VI-B族元素制成，其中M代表过渡金属原子，X代表查尔酮原子。与无带隙石墨烯相反，这些TMD在减薄到单个单层（ML）时具有直接带隙。外带位于六角布里渊带的高对称K点上，这引起了宽光谱范围内的带间跃迁由于光发射149的高效率，在VI-B族TMD中直接间隙的存在使得它们对于潜在的光子器件应用特别有吸引力。许多工作已经表明，ML TMD可以包含晶体结构缺陷，在TMD ML150-152中称为这些杂质缺陷是特别有趣的，因为它们可以作为零维非谐量子发射器，这种独特的特性使它们特别适合大规模IPQC。然而，这将缓解光子量子应用的其他方法遇到的一些重要问题。首先，转移2D材料或通过范德华外延来堆叠它们以产生复杂异质结构的技术现在已经变得成熟，使得能够容易地与高质量PIC153、154对接。其次，由于发射器嵌入单层中，避免了全内反射，因此可以实现非常高的光提取效率。这是基于金刚石和III-V族的量子技术的主要问题这一前景引起了人们的广泛关注，并在将基于TMD的SPS与低损耗光子电路相结合方面取得了长足的进展代表性成就包括将机械剥离的WSe2 ML混合集成到单模SiN光子电路153、155上。图7a和图7d示出了组合ML WSe2和SiN光子电路的SiN纳米光子WG附近的区域这些有源光源的起源仍在讨论中，最广泛接受的解释是WG处的紧密接触导致耦合到WG的应变诱导发射器的存在，如在先前的工作中所报道的，其中在材料在纳米柱阵列156、157上弯曲的位置处观察到TMDC单层的明亮发射。为了确认来自这些亮点的单光子发射的量子性质，采用透镜光纤或物镜来收集WG末端的PL（图7 b），随后的自相关测量揭示了反聚束光子发射（图7 b）。 7 c）。与ML WSe2相比，hBN是一种特别有趣的混合集成量子发射器，因为它为室温光子量子技术提供了一条途径单光子发射的起源可见光谱范围内的离子主要归因于由于碳原子注入而产生的负电荷缺陷sVBC−N，这一点已被离子注入实验和电子结构计算所证实159。最近，精确控制填充hBN中点空位已经使用聚焦电子束方法证明了用碳原子的方法，并且单个碳原子可以以低于2纳米的精度插入到选定的单空位中160。通过使用悬浮单层hBN和环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM），当电子束定位成仅在空位位点内扫描时，弱结合的碳原子被吸引。此外，在单层hBN中SPE的形成也通过化学气相沉积（CVD）161证明。碳掺杂水平可以通过在hBN生长期间引入甲烷来增加，或者通过施加甲烷来降低审查DOI：芯片|Vol 1 |2022年秋季王X-D. 等人芯片1，100018（2022）9月22日∼图7|原子薄层半导体作为IPQC中的量子光源。a.将WSe 2薄片集成在220 nm厚的单模SiN WG上，通过2个空气沟槽与体SiN分离。下图：样品的横截面b，光纤耦合芯片的图像插图示出了从光纤到芯片的光耦合c，在3.9 K（红色）和g（2）（τ）拟合（蓝色）下的归一化背景校正运行平均符合d，耦合的二硒化钨（WSe2）单层单光子发射器和Si3 N4 WG的示意图。e，混合量子光子系统的艺术图示，示出了位于AlN脊WG（灰色）上的hBN薄片（紫色）。插图显示了分层的范德华晶体。a–c, 153© 2019 The Au- thor（s）. d，经Errando-Herranz et al.许可转载。155© 2021美国化学学会。e，经Kim et al.许可转载。© 2019 Wiley-VCH GmbH. (For颜色参考的解释在这个图例中，读者可以参考原始文章的网络版本。熔融Cu方法，这降低了观察到的碳掺杂水平。通过使用转印方法，两个小组最近将基于hBN的确定性SPS与低损耗光子电路集成，包括SiN59（也参见图7e的草图）和氮化铝（AlN）162。应当注意的是，hBN在可见波长处的折射率n 2.1与AlN和SiN的折射率相当。因此，hBN与这些光子电路的混合集成对于在室温下使用类原子单光子发射器的确定性的大规模光子量子电路芯片的后生长工程方