量子计算再进一步！在SiC上实现异质集成量子光源

电子发烧友综合报道 中国科学院2月18日宣布，上海微系统与信息技术研究所在集成光量子芯片领域取得重要进展。中国科学院表示，该研究采用“搭积木”式混合集成策略，将III-V族半导体量子点光源与CMOS工艺兼容的碳化硅（4H-SiC）光子芯片异质集成，构建出新型混合微环谐振腔。这一结构实现了单光子源的片上局域能量动态调谐，并通过微腔的Purcell效应提升了光子发射效率，为光量子芯片的大规模集成提供了全新解决方案。

该项研究成果已经同步发表在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）期刊上，我们通过论文来分析一下该项研究的具体细节。

在量子通信、量子计算等场景里，信息是通过一个个光子来进行传播的，而光子就是光的最小单位。但在利用光子进行信息传播的过程中，实际操作会遇到一些问题，比如我们生活中常见的LED灯会一次发出几十亿光子，而你无法控制LED灯发出光子的数量。但量子技术需要严格控制光子，一次只发射出一个光子。

另外是效率问题，如果造出了一次只能发射一个光子的光源，但也有可能因为发光效率太低，光子无法发射出芯片外，这同样无法使用。传统硅基材料，比如SiN、Si等，缺乏直接带隙和电光效应，难以集成高效单光子源（SPSs）等主动器件。

而碳化硅，尤其是4H-SiC具有高折射率、低损耗、CMOS兼容性及宽透明窗口，是理想的光子集成平台，但其自身缺乏高效量子发射材料。GaAs量子点作为固态量子发射体，可产生确定性单光子，但与其他光子平台的集成存在挑战。

具体来说，4H-SiC和InGaAs量子点很难融合在一起，集成在同一芯片上。所以这项研究的重要创新，就是如何将这两种材料集成在一起，并输出高质量的单光子。

研究团队开发出一种混合微环谐振（HMRR），通过转移印刷技术将含量子点的GaAs波导集成到SiC微环上，形成三维堆叠波导结构，实现耳语环模式（WGMs）的光限制与耦合。简单来说就是让光在SiC微环上跑圈，形成会回声室效应，这样能够令光子产生Purcell效应，加快光的速度。同时能够让光子集中在微环附近的波导里流出芯片，便于控制光子方向。

随后，在HMRR旁集成TiN微加热器，通过热光效应动态调谐量子点发射波长（调谐速率0.13 nm/mW），覆盖一个自由光谱范围（FSR≈4 nm），使量子点与腔模共振。这是为了量子点和微环频率实现匹配。

在通过HMRR的结构优化后，量子点的发光速度快了5倍，原本量子点发一个光子要2.25纳秒，和微环共振后缩短到0.5纳秒；单光子的纯度高达99.2%。同时HMRR还具备可扩展性，多装几个微环和加热器，就能独立控制多个量子点，未来可组装成芯片上的量子网络。

总结下来，该项研究主要的突破在于，实现了基于SiC的高质量无源器件与GaAs量子点的混合集成，无需复杂键合或电子束光刻。与此同时，转移印刷技术实现低损耗异质波导耦合，促进了全固态量子电动力学系统的芯片集成。

而这些突破，将为未来大规模的量子网络、量子计算等技术奠定基础。