#碳化硅色心 #碳化硅薄膜晶圆 #碳化硅光波导 #sicoi晶圆
摘要
室温下的稳健纠缠是固态量子信息处理和量子增强传感的核心挑战。在此，我们通过将电子-核纠缠态相干转移到长寿命核自旋存储量子比特上，展示了碳化硅（SiC）量子节点中纠缠的室温存储。使用 4H–SiC 中的浅层单个 PL6 色心，我们实现了一个完全可寻址的三量子比特寄存器，由一个电子自旋处理器和两个强耦合的 ²⁹Si 核自旋存储量子比特组成。该平台能够确定性生成高保真纠缠态，包括保真度为 94±2% 的核自旋贝尔态和保真度为 89±4% 的三量子比特 GHZ 型态。通过在强超精细耦合机制中实施 SWAP 门协议，电子-核纠缠被转移到核自旋存储器，保真度为 92.5 ± 2.5%，将纠缠寿命延长了 240 倍。我们进一步在额外的异质 ²⁹Si–¹³C 核自旋寄存器中证实了这种方法的通用性，并通过对 200 个单个 PL6 色心的统计调查表明，多核自旋寄存器自然出现的概率超过 10%。这些结果将浅层 SiC 色心定位为纠缠辅助量子传感和可扩展室温量子技术的强大平台。
划重点：碳化硅外延片，SICOI晶圆
可注入元素：H He P C Er+ Ge Yb B,P,F,Al,N,Ar,H,Si,As,O,He
能提供MeV级Er Fe、Ni、Cu、V、Ti、Mo、Zr、Mg、Al、Si、Au、Ag、N、O等元素的离子束，温度室温 到 800℃ Fe、Ni、Cu、V、Ti、Mo、Zr、Mg、Al、Si、Au、Ag、N、O
#金刚石色心离子注入
28Si, 29Si, 14N, 15N or 74Ge
#碳化硅色心离子注入
晶圆：SICOi晶圆 碳化硅外延片 ，更有 美国高纯碳化硅和碳化硅外延片
注入：C,H，He，Er3+ ,V
#硅色心离子注入
硅G色心用：220nm高阻SOI晶圆-C12+RTP+电子束光刻刻蚀
硅T色心用：220nm高阻SOI晶圆-C12+RTP+H+RTP+电子束光刻刻蚀
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文章名：Room-Temperature Storage of Entanglement in a Silicon Carbide Quantum Node
作者:Shuo Ren,¹,²,³,⁴,* Rui-Jian Liang,¹,²,³,⁴,* Qi-Cheng Hu,¹,²,³,⁴ Zhen-Xuan He,¹,²,³,⁴ Ji-Yang Zhou,¹,²,³ Wu-Xi Lin,¹,²,³,⁴ Zhi-He Hao,¹,²,³ Tao Tu,¹,²,³,⁴ Jin-Shi Xu,¹,²,³,⁴,† Chuan-Feng Li,¹,²,³,⁴,‡ and Guang-Can Guo¹,²,³,⁴
单位：¹Laboratory of Quantum Information, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China ²Anhui Province Key Laboratory of Quantum Network, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China ³CAS Center For Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China ⁴Hefei National Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230088, China
引言
纠缠是量子增强传感和量子信息处理的关键资源，使能力超越经典极限 [1–3]。然而，在固态平台中，纠缠态极易受到环境退相干的影响，这严重限制了它们在环境条件下的操作 [4, 5]。这一挑战对于近表面自旋缺陷尤为突出，这些缺陷由于与周围环境的强耦合以及与纳米级器件架构的兼容性而受到广泛量子技术的关注。虽然浅层缺陷提供了增强的可及性和集成潜力，但它们也暴露于增加的磁、电和表面相关噪声，导致电子自旋相干时间减少 [6–9]。因此，即使能够生成纠缠，其寿命通常也太短而无法实际使用。解决这一限制需要保护脆弱纠缠态免受退相干影响的策略，同时不损害浅层缺陷平台固有的优势。
一种有前景的方法是利用混合电子-核自旋系统，其中快速且光学可寻址的电子自旋与附近长寿命的核自旋相干耦合 [10–14]。在此类系统中，核自旋可以作为稳健的量子存储器，允许脆弱的量子态——包括纠缠态——从易受退相干影响的电子自由度转移出去，并长时间保存。因此，在此类混合寄存器中演示相干纠缠转移和存储是朝着固态系统中长寿命多量子比特量子控制迈出的关键一步。
碳化硅（SiC）中的光学可寻址色心为实现此类混合自旋寄存器提供了一个特别有吸引力的平台 [15–20]。特别是，浅层 SiC 缺陷可以将稳健的自旋-光学特性与表面可及性相结合，这对于传感兼容的量子寄存器至关重要 [9]。其晶圆级生长、确定性缺陷创建以及与成熟微纳加工技术的兼容性使得可扩展器件集成成为可能 [21–37]。这些特征使 SiC 非常适合近表面量子架构。
在各种 SiC 色心中，4H–SiC 中承载 S=1 基态三重态的 PL6 色心因其稳健的室温自旋特性、有利的光学可寻址性以及与附近核自旋的强超精细耦合而脱颖而出 [34]。这些强耦合使得相干电子-核自旋相互作用成为可能 [18, 19]，并提供了在紧邻表面处访问多量子比特寄存器的途径。然而，浅层 PL6 色心的电子自旋相干性仍然有限，构成了在长时间尺度上保持纠缠的瓶颈。因此，在这种浅层、室温固态环境中是否以及如何保护纠缠构成了一个重要的开放问题。
在本工作中，我们通过将单个近表面 PL6 色心相关的电子-核纠缠态相干转移到两个强耦合的 ²⁹Si 核自旋上，展示了碳化硅中纠缠的室温保护。使用完全可寻址的三量子比特寄存器，我们确定性地制备电子-核纠缠态，并实施基于 SWAP 门的协议将纠缠映射到核自旋子系统上。这种转换将脆弱的电子-核纠缠态转化为长寿命的核自旋纠缠存储器，在环境条件下将纠缠寿命延长多达 240 倍，同时保持高保真度。
通过在独特的异核 ²⁹Si–¹³C 寄存器中展示纠缠存储，并对使用两种独立注入方法制造的 200 个单个 PL6 色心进行统计调查，进一步验证了该协议的通用性和可重复性。调查表明，包含两个或更多强耦合核自旋的多核自旋寄存器自然出现的概率超过 10%。这些结果进一步表明，合适的多自旋资源在 SiC 中自然产生，无需同位素工程或对极其罕见缺陷的后选择。
图1. 碳化硅中 PL6 色心与两个 ²⁹Si 核自旋耦合的能级。(a) PL6 电子自旋与两个近邻核自旋耦合形成三量子比特寄存器的示意图，其中电子自旋作为处理器，核自旋作为存储量子比特。(b) 简化的能级图，显示八个计算基态 |000⟩–|111⟩。蓝色箭头表示保持核自旋的电子自旋跃迁，而橙色箭头表示与不同超精细耦合相关的核自旋翻转跃迁。(c) 通过将电子自旋极化转移到核自旋来初始化三量子比特寄存器的脉冲序列。(d) 初始化后的脉冲 ODMR 光谱，证实了单个核自旋的制备；实线是 MW1–MW4 跃迁的理论预测。
我们的碳化硅量子节点基于 4H–SiC 中的浅层单个 PL6 色心，其电子自旋充当快速处理量子比特，并与两个附近的 ²⁹Si 核自旋强耦合，后者充当长寿命存储量子比特（图1(a)）。这种混合电子-核架构将电子自旋的快速控制和光学可及性与核自旋的优越相干性相结合，形成一个最小但强大的多量子比特寄存器，能够在室温下存储远超电子自旋相干时间的量子关联。
在实验中，浅层 PL6 色心通过 N₂⁺ 离子注入产生。根据停止与范围离子物质（SRIM）仿真，注入分布产生的缺陷预期峰值深度约为表面下方 15 nm。使用等离激元辅助光学配置进一步增强了荧光收集效率 [35]（详见补充材料说明1 [38]）。通过低温光致发光光谱和零场 ODMR 测量确认了所研究缺陷归属于 PL6 色心，分别显示特征性的 PL6 零声子线在 1038 nm 附近和零场分裂在 1351 MHz 附近 [34, 42]（详见补充材料说明2 [38]）。所有自旋控制和纠缠存储测量均在室温下进行。
在沿缺陷对称轴对准的 B = 330 G 静磁场下，塞曼相互作用消除了 m_s = ±1 态的简并。在本工作中，我们将电子自旋量子比特编码在 m_s = 0, −1 子空间中，这使得稳健的光学初始化和高效的微波操纵成为可能。主体 4H–SiC 晶体具有约 1.1% ¹³C 和约 4.7% ²⁹Si 核自旋（I = 1/2）的天然同位素组成。两个存储量子比特与附近的 ²⁹Si 核自旋相关，它们通过各向异性超精细相互作用与电子自旋耦合。
电子自旋和两个核自旋共同形成一个八能级量子寄存器，在计算基 |m_s, m_I1, m_I2⟩ 中描述，涵盖从 |000⟩ 到 |111⟩ 的状态（图1(b)）。两个核自旋占据 4H–SiC 中的不等价晶格位点，根据测得的超精细分裂 [43] 分别归属于 Si_IIb（n₁）和 Si_IIa（n₂）配置。相应的纵向超精细耦合常数分别为 A_zz^(n1) = 9.6 MHz 和 A_zz^(n2) = 12.5 MHz。由此产生的不同超精细耦合强度在 ODMR 中产生光谱上可分辨的跃迁，使得能够选择性控制每个核自旋。在当前的磁场机制下，直接的核-核相互作用可忽略不计，系统动力学由与电子自旋的各个超精细耦合决定。这种相互作用尺度的层次结构允许电子自旋充当相干可寻址的量子总线，介导处理器电子自旋与长寿命核自旋存储量子比特之间的条件门操作和相干态转移。耦合的电子-核寄存器由标准超精细哈密顿量很好地描述，其参数从 ODMR 光谱中提取。哈密顿量模型、超精细参数和参数确定的完整细节在补充材料说明2 [38] 中提供。
图2. 由 PL6 电子自旋和两个 ²⁹Si 核自旋组成的三量子比特寄存器的相干控制。(a) 光学检测核磁共振谱，显示在 12.16 和 9.18 MHz 处的两个分辨共振，对应于两个不等价 ²⁹Si 核（标记为核1和核2）的核自旋跃迁，每个核都与单个 PL6 色心的电子自旋超精细耦合。(b) 在 B = 330 G 下，电子自旋制备在 m_s = −1 时两个核自旋 n₁ 和 n₂ 的拉比振荡。(c) 电子自旋的拉姆齐条纹。(d) 核自旋 n₂ 的拉姆齐条纹；实线是对数据的拟合。
纠缠的可靠生成和存储需要对混合寄存器中所有量子比特进行确定性初始化和相干控制。我们实施了一个定制的微波（MW）和射频（RF）脉冲序列，将极化从光学初始化的电子自旋反复转移到核自旋存储量子比特（图1(c)），从而在室温下以高保真度将系统制备在 |000⟩ 态。
初始化协议的有效性通过脉冲 ODMR 测量得到验证。初始化后，仅观察到对应于所制备核自旋配置的跃迁，而所有其他跃迁被强烈抑制（图1(d)）。这种选择性光谱响应提供了直接证据，表明两个核自旋都被极化到明确定义的状态，并且完整的三个量子比特寄存器被确定性地初始化。脉冲序列和系统极化分析的进一步细节在补充材料说明3 [38] 中提供。
初始化后，我们表征核自旋量子比特的相干控制。通过施加共振射频场来寻址核自旋跃迁，并通过电子自旋相关的光信号进行监测，这一协议称为光学检测核磁共振（ODNMR）[15]。ODNMR 光谱揭示了在 9.18 MHz 和 12.16 MHz 频率处的两个良好分辨的共振（图2(a)），分别对应于两个不等价的 Si_IIb 和 Si_IIa 核自旋，与先前的结果 [43] 非常一致。ODNMR 共振频率与从 ODMR 提取的超精细分裂之间的微小差异源于施加磁场下的有限核塞曼贡献。由于其长相干时间，ODNMR 线宽比 ODMR 中观察到的窄得多。此外，共振的光谱隔离使得能够以可忽略的串扰对单个核自旋 n₁ 和 n₂ 进行频率选择性寻址。利用这种寄存器特定的可寻址性，我们施加定制的射频脉冲序列来驱动核拉比振荡，如图2(b)所示。蓝色和紫色拟合曲线分别对应于单个核自旋 n₁ 和 n₂ 的相干振荡。更准确地说，观察到的振荡源于 |100⟩ ↔ |101⟩ 和 |100⟩ ↔ |110⟩ 之间的跃迁，展示了在电子自旋分辨的核子空间内的选择性控制。与其他核自旋跃迁相关的拉比振荡在补充材料说明3 [38] 中提供。
为了基准测试核自旋相对于电子自旋的存储优势，我们使用拉姆齐干涉测量来测量单个量子比特的相干特性。电子自旋表现出非均匀退相时间 T_2e^* = 1.75 ± 0.29 µs（图2(c)），与天然 SiC 晶体中的室温操作一致 [18, 34, 35]。此处展示了核自旋 n₂ 的拉姆齐干涉结果以表征核自旋存储相干性，而 n₁ 的相应测量在补充材料说明3 [38] 中提供。核自旋表现出长得多的相干时间 T_2n^* = 359 ± 69 µs（图2(d)），超过电子自旋相干时间两个数量级以上。
在建立三量子比特寄存器的完全初始化和相干控制之后，我们继续生成涉及核自旋和完整电子-核系统的纠缠态。从初始化的 |000⟩ 态开始，利用电子自旋与核自旋之间的强超精细耦合，使用 MW 和 RF 脉冲序列生成纠缠。该脉冲序列在电子自旋上实现受控相位门，结合在核自旋上适当定时的 π/2 旋转，有效地实现了核自旋受控非（CNOT）操作 [44]。使用这种方法，我们首先生成两个核自旋的最大纠缠贝尔态，
其中电子自旋与核自旋子系统保持非纠缠。量子态的详细推导在补充材料说明3 [38] 中提供。执行量子态层析成像以重建核自旋对的密度矩阵，相对于理想贝尔态产生 94±2% 的态保真度（图3(a)）。重建的密度矩阵表现出强的非对角相干性和目标子空间外可忽略的布居，证明了在室温下高质量制备核自旋纠缠。量子态层析成像程序的细节，包括所施加的脉冲序列和保真度误差分析，在补充材料说明7 [38] 中提供。
图3. 两个核自旋的纠缠和三量子比特 GHZ 型态。(a) 从量子态层析成像获得的核自旋贝尔态的重建密度矩阵。(b) 测量的核自旋贝尔态的相干衰减。(c) 重建的三量子比特 GHZ 型态的主要密度矩阵元素。(d) 测量的 GHZ 型态的相干衰减。误差棒表示统计不确定性。
我们进一步扩展该协议以生成如下形式的三量子比特 GHZ 型纠缠态
在单量子比特基变换下，它局部等价于标准 GHZ 态。主要密度矩阵元素的部分量子态层析成像产生 89±4% 的保真度（图3(c)）。与双量子比特贝尔态相比降低的保真度反映了三量子比特纠缠对退相干的敏感性增加，以及态制备所需的更长脉冲序列。
为了量化所生成纠缠态的鲁棒性，我们通过监测相关非对角密度矩阵元素的衰减来测量其相干时间。核自旋贝尔态表现出 T_n1–n2 = 296 ± 21 µs 的相干时间（图3(b)），比电子自旋退相时间长两个数量级以上。相比之下，三量子比特 GHZ 型态的相干时间测得为 T_GHZ = 0.75 ± 0.07 µs（图3(d)）。较短的寿命源于电子自旋直接参与纠缠态，以及较长制备序列期间退相干的累积效应，与对非对角相干项的部分层析成像一致。
图4. 核自旋存储器中的纠缠存储。(a) 通过一系列强耦合 SWAP 操作将纠缠从电子–n₁ 贝尔态 (|000⟩ + |110⟩)/√2 转移到核自旋贝尔态 (|101⟩ + |110⟩)/√2 的示意图。(b) 电子–n₁ 纠缠态的重建密度矩阵。(c) 存储的核自旋纠缠态的重建密度矩阵。(d) 测量的电子–n₁ 纠缠态（紫色）和存储纠缠态（蓝色）的相干衰减。点表示原始实验数据，实线表示理论拟合。误差棒表示统计不确定性。
我们接下来通过将涉及电子自旋的纠缠态相干转移到核自旋存储量子比特上来演示纠缠的室温存储。相应的脉冲序列如图4(a)所示。在三量子比特寄存器初始化（init.）之后，我们首先在电子自旋和一个核自旋之间制备贝尔态，而第二个核自旋保持可分离，
电子-核子系统的量子态层析成像（QST）产生 94.5±1.5% 的保真度（图4(b)），证实了电子-核纠缠的高质量制备。
为了存储这个纠缠态，我们施加一系列强耦合 SWAP 操作，将纠缠从电子–n₁ 子系统相干映射到两个核自旋 n₁ 和 n₂ 上，同时将电子自旋从寄存器中解除纠缠。所得的存储态对应于核自旋贝尔态（详见补充材料说明6 [38]）
转移后密度矩阵的重建产生 92.5±2.5% 的保真度（图4(c)），证明纠缠转移以最小损耗保持了布居和相干性。
我们通过监测非对角密度矩阵元素的衰减来比较存储前后纠缠态的相干时间（图4(d)）。涉及电子的纠缠态表现出 1.06 ± 0.05 µs 的相干时间，与独立测量的电子自旋相干性一致。相比之下，存储的核自旋纠缠态显示出显著延长的寿命 244 ± 17 µs，对应于两个数量级以上的增强。
与核自旋相干性和电子自旋弛豫时间的比较表明，存储寿命目前受到与有限电子自旋 T₁ 弛豫过程相关的残余电子介导退相干的影响。尽管如此，观察到的增强表明，相干纠缠转移使得量子关联的保存时间尺度远超电子自旋单独可及的时间尺度，即使在环境条件下也是如此。
为了进一步检验纠缠存储协议的通用性，我们将相同的策略应用于与另一个单个浅层 PL6 色心相关的独特异核寄存器。该寄存器由一个强耦合的 ²⁹Si 核自旋（A_zz = 12.5 MHz，Si_IIa）和一个强耦合的 ¹³C 核自旋（A_zz = 6.4 MHz，C_II）组成。异核寄存器表现出相干核自旋控制，并支持高保真纠缠存储：初始的电子–²⁹Si 贝尔态和存储的 ²⁹Si–¹³C 贝尔态分别产生 93 ± 2% 和 91 ± 1.5% 的保真度，同时纠缠寿命从 1.08 ± 0.09 µs 延长到 196 ± 15 µs。这些结果（在补充材料说明5 [38] 中展示）表明，该协议不限于特定缺陷或同核 ²⁹Si–²⁹Si 配置，也适用于具有不同超精细耦合和旋磁比的混合种类核自旋存储器。
此外，对使用 N₂⁺ 和 O⁺ 注入 [29] 制造的 200 个单个 PL6 色心的统计调查表明，包含两个或更多强耦合核自旋的多核自旋寄存器出现的概率超过 10%，与理论模型非常一致（详见补充材料说明4 [38]）。这种统计上的可获得性表明，合适的多自旋资源在 SiC 中自然产生，并不限于孤立的、极其罕见的缺陷。
总之，我们通过将电子-核纠缠相干转移到长寿命核自旋量子比特，展示了碳化硅中多量子比特纠缠的室温存储。使用 4H–SiC 中的单个浅层 PL6 色心，我们实现了一个完全可寻址的三量子比特寄存器，支持高保真贝尔态和 GHZ 型态，并实现了稳健的基于 SWAP 的纠缠转移协议。存储的纠缠态保持高保真度，并且与基于电子自旋的纠缠相比，寿命提高了两个数量级以上。
除了同核 ²⁹Si–²⁹Si 寄存器之外，我们还在异核 ²⁹Si–¹³C 寄存器中进一步验证了该协议，并表明混合种类核自旋存储器也可以支持高保真纠缠存储。结合通过不同注入方法创建的 PL6 色心中多核自旋寄存器的统计观察，这些结果表明，合适的核自旋存储资源在 SiC 中可重复地获得。
更广泛地说，我们的工作为浅层缺陷自旋量子比特建立了一种实用策略。这种电子-核转移为浅层固态自旋寄存器提供了一种通用的基本单元，有效地将快速控制与长寿命量子存储分开，并为在环境条件下实现纠缠增强量子传感提供了一条现实途径。利用碳化硅成熟的材料特性，我们的方法还为可扩展量子器件提供了一条实用路线。
