中國科學技術大學解決半導體材料量子技術應用難題

中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時等人與匈牙利學者合作，在國際上首次實現單個碳化硅雙空位色心電子自旋在室温環境下的高對比度讀出和相干操控。這是繼金剛石氮空位色心後第二種在室温下同時具有高自旋讀出對比度和高單光子發光亮度的固態色心。該成果日前在線發表於《國家科學評論》，對於發展基於碳化硅這種成熟半導體材料的量子信息技術具有重要意義。

固態自旋色心是量子信息處理的重要研究平台，金剛石氮空位色心是其突出代表。自從1997年德國研究團隊報道了室温下單個金剛石氮空位色心的探測以來，金剛石氮空位色心在量子計算、量子網絡和量子傳感等方面都取得了重要進展。近年來，為了利用更加成熟的材料加工技術和器件集成工藝，人們開始關注其他半導體材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心（缺失一個硅原子）和雙空位色心（缺失一個硅原子和一個近鄰碳原子），因其優異的光學和自旋性質引起了人們廣泛的興趣。

李傳鋒、許金時研究組利用此前所發展的離子注入製備碳化硅缺陷色心的技術製備了雙空位色心陣列。進一步利用光探測磁共振技術，在室温下實現單個雙空位色心的自旋相干操控，並發現其中一類雙空位色心的自旋讀出對比度為30%，而且單光子發光亮度每秒可達150k個計數。這兩項重要指標相比碳化硅中硅空位色心均提升了一個數量級，第一次展現了碳化硅自旋色心在室温下具有與金剛石氮空位色心相媲美的優良性質，並且單色心電子自旋在室温下的相干時間長達23微秒。研究團隊還實現了碳化硅色心中單個電子自旋與近鄰核自旋的耦合與探測，為下一步構建基於碳化硅自旋色心體系的室温固態量子存儲與可擴展的固態量子網絡奠定基礎。

《國家科學評論》審稿人認為，這一發現解決了碳化硅色心量子技術應用中的一個關鍵問題。