PAM-XIAMEN は光学研究用のシリコンウェーハを提供できます。詳細については、を参照してください。https://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.

世界的な量子インターネットには、大規模に製造できる長寿命の通信帯域フォトニック材料インターフェースが必要です。 これらのニーズのサブセットを満たす、光子物質インターフェースに基づく予備的な量子ネットワークは、新しい高性能の代替手段を見つける取り組みを奨励しています。 シリコンは商業規模の固体量子技術にとって理想的な素材です。 これはすでに世界的な統合フォトニクスおよびマイクロエレクトロニクス業界の先進的なプラットフォームであり、記録破りの長寿命スピン量子ビットを備えています。 シリコン量子プラットフォームには大きな可能性がありますが、シリコンベースの材料上の光子スピン界面の光学的検出は依然としてとらえどころがありません。

1. 統合とO光学的CT-のカップリングC入りますSアイコン

T センターはシリコンの放射線損傷中心であり、2 つの炭素原子、1 つの水素原子、および 1 つの不対電子から構成されます (図 1a)。 935.1 meV (1326 nm) ではゼロフォノン線 (ZPL) 光学遷移があり、T センターは近赤外線通信帯域で光を発する既知のシリコン放射線損傷センターの 1 つです。

同位体富化28SiのT中心アンサンブルの測定により、940nsの励起状態寿命と33MHzという低い遷移線幅が明らかになった。 T 中心基底状態には、非電子スピンと超微細結合水素核スピンがあります。 基底状態の電子と水素の核スピンはどちらも長寿命で、28Si ではコヒーレンス時間がそれぞれ 2.1 ミリ秒と 1.1 秒を超えます。 束縛励起子の光励起状態では、2つの電子が一重項状態を形成し、欠陥の対称性の低下により正孔状態が2つのスピン二重状態に分割され、それぞれTX0とTX1とラベル付けされます（図1b）。 静磁場の作用下では、TX0 ZPL は 4 つのスピン関連遷移に分割されます。

この作業では、まず業界標準の SOI チップ内に T センターを準備します。 図1cに示すように、T中心フォトルミネッセンス（PL）がサンプルのスペクトルを支配します。 単一の T センターの空間分解能を達成するために、自作の SOI デバイス層 4.3(3)K 低温共焦点顕微鏡で実験が行われました。 図 1d は、デバイス平面内に配向された、マイクロバックの中心にあるダイポール エミッターのシミュレートされたフィールドを示しています。 この研究では、モデル化されていない SOI では、ZPL の強度が中心に比べて最大 58 倍増加すると推定されています。

図1 Tセンターの集積化と光結合

2. シリコンベースセンター

共焦点 PLE は、単一の T 中心に対処できるという証拠を明らかにします。 この研究では、半径305 nmのマイクロパックのグループを選択し（図2a）、バルクTX0 ZPLの周囲の776μeV範囲内の各マイクロパックのPLEスペクトルを測定しました。 シングルプッシュ PLE スペクトルの 3 つの例を図 2b に示します。 各 PLE スペクトルには、より大きな不均一分布からサンプリングされた少量 (平均 1.1) の狭い共鳴が含まれています。

図2cは、図2aの144個のマイクロクラックにおけるT中心ZPLピークの位置と線幅を示しています。 ZPL ピークの分布は、各欠陥の局所同位体および歪み環境の変化によって引き起こされます。 この不均一な分布はより広い範囲にあり、非グラフィカルな SOI ZPL からわずかにオフセットされています (図 1c を参照)。

この研究により、ひどく損傷した最適化されていない材料では、選択中心の合計スペクトル拡散が 400 MHz 未満であることがわかりました。 表面の最適化、静電気制御、注入ダメージの低減はすべて、環境ノイズと他のカラーセンターのスペクトル拡散を大幅に低減することが証明されており、同様の技術をこのシステムにも適用できます。

図2 シリコンベースセンター

3. シリコンBアシードSイングルSピン O光学的I初期化とR読み出し

図3a〜cでは、この研究は半径305nmのマイクロバブルから抽出された3つのTセンターのデュアルカラーPLEスペクトルを示しています。 各 TX0 の ZPL 分割は異なり、異なる方向を反映しています。 T センター 1 には、ほぼ縮退した B および C 遷移があり、各レーザーが独立して連続蛍光を駆動します。

対照的に、T-center 2 の B および C 遷移は、1 GHz の分割下で良好に分解されました。 最も明るい蛍光は、レーザーが離調され、それぞれ B および C 遷移と共鳴する 2 色の組み合わせによって生成されます。 T センター 3 の BC 分割はわずか 0.7 GHz ですが、2 つの AD 共振は依然として十分に解決されています。

これらが単一スピンであることを確認した後、この作業の次のステップは、光学的初期化とスピン状態の読み取りを実行し、スピン寿命 (T1) を測定することです。 図3fに示す光パルスシーケンスは、Tセンター3のB遷移とC遷移を処理しました。待ち時間が1msに近づくと、0.85（6）msと1.2（1）msの非対称過渡寿命がB（オレンジ）に対して生成されます。とC（青）の読み取りパルスです。 将来の研究では、より多くの光減衰が測定可能なスピン寿命を延長するでしょう。

図 3 シングルスピンの光学的初期化と読み出し

この研究では、個別にアドレス指定可能な T 中心光子スピン量子ビットをシリコン フォトニック構造に統合し、通信帯域におけるスピン関連の光学遷移を特徴付けます。 2.5 K 未満でサブ 400 MHz の長期光線幅を備えたデバイス統合 T センターが測定されました。 プロセス開発、静電工学、および動的制御を通じて、多くのエミッターの長期的な光線幅が改善されました。 この研究成果は、シリコン集積通信帯域量子情報ネットワークを構築する直接的な機会を提供する。

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