在保留微秒级量子相干性并实现 CMOS 兼容可扩展性的同时，消除对低温运行环境的需求，仍然是电信级量子技术面临的核心挑战。针对这一问题，我们推出了一种与 CMOS 兼容的量子系统，该系统由单铒离子（Er³⁺）高维量子比特（五能级系统）组成，可在可见光和电信 C 波段运行。

通过创新的纳米加工技术，我们实现了离子的自对准放置，从而实现了单 Er³⁺ 离子的空间隔离并抑制了退相干。我们实现了可独立寻址的单铒器件，其在环境条件下（室温）的电信 C 波段光学相干时间刷新了纪录，超过了 500 微秒。此前，这种性能仅限于比室温低 900 多倍的真空低温环境下才能实现。

此外，我们首次展示了基于上转换技术的无背景单光子铒发射，提供了相干、高对比度的光学读取。这项工作展示了首个具有前所未有特性的室温单铒高维量子比特系统，为开发下一代无低温环境的电信级量子技术奠定了基础。

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推进量子信息科学（QIS）——包括传感、光子学、信息处理和通信——需要创新的材料工程，以克服量子系统长期存在的局限性，如低温运行需求、高温下的快速退相干以及有限的可扩展性。因此，一个相互关联的挑战是开发出能在更高温度下（理想情况下达到室温，RT）保持微秒级量子相干性的固态量子系统，同时支持可扩展的、与 CMOS（互补金属氧化物半导体）兼容的制造工艺以及电信 C 波段运行。解决这一挑战对于从实验室原型过渡到实用的片上量子系统（包括量子光子集成电路，qPICs）至关重要。

这种集成将光学和电学功能融合在统一的平台上，对于可扩展性和可制造性至关重要，正如集成电路在经典半导体技术中所起到的变革性作用一样。此外，可部署的量子系统必须在设计上降低尺寸、重量、功耗和成本（SWaP+C），以便在真实环境应用中发挥效用。片上量子系统基于电信级量子发射器和量子比特（可能包括能级 d > 2 的高维量子比特 qudits），它们在低损耗电信波段（例如 1540 nm 附近的 C 波段）运行且与光纤网络兼容，构成了下一代量子信息科学应用的技术基石，例如长距离量子网络、量子信息存储与处理，以及分布式量子传感和计算。

在此背景下，一系列固态量子系统，如半导体量子点、缺陷以及稀土铒（Er³⁺）离子，已经实现了量子功能的开创性演示。这些演示包括：在近红外范围（1000 nm – 1300 nm）内测量磁场和电场时达到世界领先的灵敏度、确定性单光子发射、自旋-光子界面，以及更重要的——在电信 C 波段实现微秒级量子相干性和高保真光学控制。然而，这些成果大多是在低于 0.5 K 的极低温及受控实验室真空条件下取得的。因此，由于严苛的运行条件、缺乏原生电信 C 波段运行能力和/或与大规模制造工艺兼容性有限，将这些系统推向实验室外仍具挑战，这些限制从根本上制约了它们在实用的、低 SWaP+C（尺寸、重量、功耗和成本）量子技术中的适用性。此外，现实设备环境中的机械振动，以及由缺陷、电荷噪声和自旋浴相互作用产生的波动电磁场，会进一步降低相干性和稳定性。补充材料中的表 S1 通过总结这些量子系统之间的权衡（例如，电信波段运行、CMOS 兼容制造以及在低温以上实现相干性的产生与控制），凸显了目前缺乏统一解决方案的现状，这正是本研究提出新型材料和量子工程方法的初衷。

为了解决这一问题，我们展示了一种突破性的、与代工厂兼容的纳米加工技术，并结合定向材料工程，实现了新型 CMOS 可扩展固态量子系统：嵌入在碳化硅（SiC）基空心纳米柱（HNPs）中的空间隔离单 Er³⁺ 离子高维量子比特阵列。这是通过非光刻定义的、具有超薄关键尺寸（≤5 nm）的纳米结构几何形状实现的，这种几何约束实现了单 Er³⁺ 离子的自对准和空间隔离。选择 SiC 作为 Er³⁺ 的宿主基质是基于其独特的物理和技术优势。例如，绝缘体上的非晶碳化硅（a-SiCOI）具有 CMOS 兼容性、宽禁带、高折射率（1550 nm 处 n ≈ 2.6）以及强电光特性。在我们的 HNP 器件中，我们观察到单 Er³⁺ 离子的激发截面（σ）增加了三个数量级，使其能够在环境条件下实现隔离和相干光学控制——而此前为实现铒离子的光谱隔离，通常需要纳米光子腔和极低温（≤0.5 K）。HNP 阵列小于 5 nm 的关键尺寸创造了一个让空间隔离的单 Er³⁺ 离子有效“悬浮”在空气中的环境，从而大幅抑制了离子间的相互作用，并减轻了由缺陷和波动电荷引起的光谱扩散及退相干。

我们的量子器件在室温下表现出卓越的性能，这是当前技术无法实现的。我们展示了电信 C 波段的相干操作，其光学量子相干时间超过 500 微秒，创下纪录，该数据通过标准的群回波脉冲序列测量获得。此外，我们利用空间隔离的单铒高维量子比特（d=5 能级系统）的多能级结构，通过上转换介导的读出途径，实现了高 Q 值（窄线宽和长相干时间）、无背景的单光子发射。这种方法使得在可见光波段（例如 518 nm）实现快速、高对比度（>96%）的相干光学读出成为可能，且无需使用光学腔。

总而言之，这些成果确立了一个由材料科学与工程支持的综合性电信和 CMOS 兼容工程策略，该策略克服了在环境条件下保持量子相干性这一普遍挑战，使得器件能够在比传统低温量子系统所需温度高 900 多倍的条件下运行。这项工作为先进的电信 QIS 技术铺平了道路，有望拓展量子传感、生物医学成像以及量子传感和参考系统（时钟同步、分布式计算）在未来物联网中的实际应用范围。

图 1 概述了铥掺杂 SiC 基 HNP 阵列平台背后的制造策略和关键创新，该平台无需传统的平版印刷图案转移即可实现。在我们之前报道的铥掺杂 SiC 纳米线（NW）结构方法的基础上，该方法从整体注入推进到了单 Er³⁺ 离子的创建和控制。创新点 1（图 1B）展示了非光刻路线，用于定义具有 ≤5 nm 关键尺寸（C.D.）的 SiC 基 HNP，这是通过具有约 0.3 埃/秒准确控制生长速率的保形化学气相沉积（CVD）工艺实现的。通过电子束刻蚀图案化的牺牲性芯棒（图 1A 中的粉色部分）仅用作几何支架，而最终的纳米结构尺寸由保形沉积的 ≤5 纳米厚非晶 SiC（a-SiC）层或氧共掺杂 a-SiC 层（a-SiC:O）的厚度决定，从而独立于光刻分辨率定义了纳米结构尺寸（详见补充材料中的材料与方法）。随后的选择性反应离子刻蚀产生了具有光滑、均匀侧壁和亚 5 纳米 C.D. 的空心化学计量 a-SiC（和 a-SiC:O）HNP，表面粗糙度极小（约 2 埃）。通过将 C.D. 控制与光刻解耦，并避免自上而下纳米制造中典型的刻蚀步骤，我们的方案规避了传统光刻分辨率限制，并最大限度地减少了侧壁粗糙度，这两个都是光刻图案转移纳米制造中固有的挑战。

具有纳米级空间精度的单离子确定性集成，是可扩展单离子量子比特/高维量子比特的核心要求，因为按需空间隔离可以实现可扩展性并增强相干控制。我们通过利用 HNP 的几何形状实现了这一点，其 C.D.（≤5 nm）实现了具有最先进（<5 nm）精度的几何定义离子放置（创新点 2，图 1C）。在这种注入方案中，HNP 侧壁充当横向注入孔径，限制了最终的离子放置体积。在去除注入过程中存在的牺牲氧化物后，注入的 Er 离子被限制在基于 SiC 的 HNP 纳米结构内（ hereafter referred to as Er:SiC HNP or Er:SiC NW）。与依赖光刻对准的传统方法不同，HNP 的物理尺寸施加了自对准纳米级限制，抑制了随机离子定位，并实现了兼容晶圆级制造的确定性离子放置。这种几何定义限制策略广泛适用于通过注入引入的任何类别的离子或缺陷。通过专门的计量序列确定刻蚀终止点以及注入的 Er 深度分布与 HNP 高度之间的重叠，确保了对离子放置的控制（详见补充信息）。在 3×4 HNP 阵列器件中代表性单 Er³⁺ 的室温（RT）谐振电信光致发光激发（PLE）光谱显示，跃迁中心位于电信 C 波段内约 1533.9 nm 处，测得线宽约 67 MHz（图 1C iii），受限于可调谐电信 C 波段激光器的频率调制展宽（另见补充信息）。随后在谐振电信激发下进行的室温脉冲二阶光子相关（脉冲 g²(τ)）测量显示出清晰的反聚束现象，g²(0) = 0.35 ± 0.04，证实了空间隔离的 Er³⁺ 离子的单光子发射。据我们所知，这构成了室温空间分辨隔离单 Er³⁺ 离子的首次演示，且不依赖于使用纳米光子腔进行光谱隔离。

为了确定最佳注入参数，我们采用了离子在物质中的停止和范围（SRIM）模拟，来模拟注入铒（Er）离子的深度分布以及随之产生的注入诱导晶格损伤分布。这种基于 SRIM 最小化注入诱导缺陷的框架，已在我们之前关于注入铒的薄膜铌酸锂（Er:LN）的报告中得到了实验验证。这些模拟提供了定量预测，将注入深度与注入诱导空位增加的区域联系起来，这种空位增加由铒离子直接相互作用体积内估算的有效空位密度表示。通过将模拟的空位浓度与注入能量和氧化物封装厚度相关联，我们可以选择合适的条件来实现目标铒离子的深度放置，同时最大限度地减少缺陷。

Figure 2: 增强的激发截面 σ，用于 SiC HNP 阵列中的 Er3+，实现室温下单个 Er3+ 离子的检测。(A) i. 示意图说明了 Er:SiC 纳米结构中的基质辅助能量激发。SiC 中的 Si-C-O 中心通过与 Er3+ 激发态流形重叠的能态，实现高效的能量转移。ii. 电信-PDPL 研究和拟合表明，SiC HNP/NW 中的整体 Er3+ 具有 σ ≈ 2 × 10⁻¹⁷ cm²，比块状稀土主体中的典型值高 2-3 个数量级；例如，在 Er 注入的 LN 薄膜（参考文献）中所示。iii. 通过在非共振（476 nm 和 496 nm）激发下监测电信发射，证明了 SiC HNP/NW 中整体 Er3+ 的宽带激发行为，与整体块状参考（Er:LN 和 Er:SiO2）相比。(B) 来自 Er:SiC HNP 阵列的代表性 Er3+-PL，包含约 5 个 Er3+ 离子，其强度比实验中使用的主要光子通量（φ ～5×10¹⁹ cm⁻²·s⁻¹）（电信共振激发 ～1533.9 nm）下从参考文献计算出的强度高约 3 个数量级。相比之下，参考文献中具有等量 Er 离子的 PL 即使在使用的最高激发光子通量 φ > 4×10²² cm⁻²·s⁻¹（比主要通量高三个数量级）下也基本无法检测到。

我们将这些纳米加工创新与材料工程策略相结合，实现了在室温下对少量及单个 Er³⁺ 离子的有效光学探测。正如之前报道的，由于基质辅助能量转移的介导，注入铒的 a-SiC:O 薄膜和纳米结构表现出对 Er³⁺ 的宽带高效激发。SiC 生长过程中的氧共掺杂引入了与碳相关的氧（O）缺陷中心（Si-C-O 中心），这些中心通过与 Er³⁺ 激发态多重态重叠的能量状态促进了转移过程。与此一致，系综 Er³⁺:SiC HNP 阵列表现出宽带激发，有效激发截面 σ ≈ 2 × 10⁻¹⁷ cm²，与体宿主材料中的典型基准值相比，增强了 2 到 3 个数量级。功率依赖光致发光（PDPL）和 PLE 测量证实了纳米结构基质与 Er³⁺ 离子之间存在高效的宽带能量转移机制，因为 Er³⁺ 的发射可以受到纳米结构 SiC 基质的敏化（图 2A、B）。额外的增强可能源于 HNP 阵列中由于多次散射产生的有效光陷阱，增加了激发光的吸收概率。相比之下，注入 Er³⁺ 的 LN 和 SiO₂ 参考样品仅在 Er³⁺ 光学跃迁波长的直接谐振激发下表现出可检测的激发，其 σ ≈ 6×10⁻²⁰ cm²。图 2B 通过对比包含约 5 个 Er³⁺ 离子的代表性 Er:SiC HNP 阵列与包含相同离子数量的 LN 参考样品的谐振电信 PDPL 测量结果，突显了增强激发截面的影响。Er:SiC HNP 器件表现出强烈的 PL 信号，超过了 SNSPD（超导纳米线单光子探测器）的探测阈值，并在显著较低的光子通量（φ ~10²¹ cm⁻²·s⁻¹）下达到饱和；而即使在实验使用的最高激发光子通量（φ > 10²² cm⁻²·s⁻¹）下，LN 参考样品的发射基本上仍无法探测。这些结果表明，Er:SiC HNP 平台显著提高了激发效率，无需在 ≤0.5 K 的纳米腔中进行光谱分辨，即可实现室温单 Er³⁺ 离子探测（图 1C iv）。

图 3：SiC HNP 阵列中空间分辨单离子隔离的蓝图。A. 结合纳米结构化和离子注入策略可实现对单个 Er3+ 离子的确定性隔离。从具有随机分布 Er 离子的块状/薄膜 SiC 基体出发，SiC HNP 几何结构将离子横向限制并降低光激发体积内的有效离子密度。通过调节注入剂量（y 轴）和 C.D. 或纳米结构数量（x 轴），系统可从整体激发过渡到单离子隔离。制备的 NW 校准结构 NW1-NW4 和 HNP1 作为实验测试平台，计算和验证的离子计数汇总于随附的表中。B. i. NW 阵列中的定量验证表明，预测的离子数与实验提取的离子数高度吻合。ii. PL饱和度证实了发射体密度降低：注入密度为10¹⁴ cm⁻²的阵列产生~180 kcps，而注入密度为10¹² cm⁻²的阵列则表现出~0.08 kcps，这与仅激发少数离子一致。共聚焦电信PL图谱显示了从明亮的整体发射到孤立位点的转变。C. i. 对于HNP阵列，四种设计（A1–A4）分别在4×3阵列中实现10、6、2和1个光学活性Er³⁺离子。ii. 代表性的g²(τ)测量结果，g²(0)值范围从0.84（多离子，S1）到0.38（S3），表明成功分离出空间分辨的单个Er³⁺

为了直接探测单离子的量子行为，我们通过新型的上转换介导共聚焦光致发光（PL）扫描映射，在阵列 A4（目标离子数 N# = 1）中识别出了孤立的发射位点（图 4A 及补充图 S8）。在电信波段谐振激发下，对代表性位点 Q1 进行的脉冲 g² 测量显示出显著的反聚束现象，g²(0) = 0.25 ± 0.03，证实了目标空间隔离单 Er³⁺ 离子的单光子发射（图 4B）。

电信波段时间分辨光致发光（TRPL）测量显示出双指数衰减，衰减分量分别为 τ₁ = 0.3 ms 和 τ₂ = 1.3 ms，得出平均激发态寿命为 1.2 ms。电信波段功率依赖光致发光（PDPL）测量进一步得出有效激发截面 σ = 5 × 10⁻¹⁷ cm²，以及饱和光子通量 φₛₐₜ = 2 × 10¹⁹ cm⁻² s⁻¹（对应饱和功率 Psat 为 1 W/cm²；见补充图 S9），这与系综（N# = 5 个离子）Er:SiC HNP 结构的结果一致（见图 2B）。

超薄的 HNP 几何形状（≤5 nm）为单个 Er³⁺ 离子提供了极强的空间隔离，抑制了离子间的相互作用，并减少了由缺陷和电荷引起的光谱扩散，从而实现了室温下的相干光学控制。在电信波段谐振脉冲激发下，通过在固定光子通量（φ = 6 × 10¹⁹ cm⁻²·s⁻¹）下改变激发脉冲宽度 tp，并记录作为 tp 函数的时间积分 PL 强度，我们观察到了单 Er³⁺ 离子的相干拉比（Rabi）振荡（图 4C）。随后，对产生的振荡曲线进行了拟合……

其中 \(t_{p}\) 是脉冲宽度，\(\Omega \) 是拉比频率，\(A\) 和 \(B\) 是拟合参数。通过该拟合提取出拉比频率 \(\Omega _{Rabi}\) 为 660 kHz，证明了在环境条件下对单 Er³⁺ 离子实现了相干光学控制。相应地，在室温及电信波段谐振激发下进行了拉姆齐（Ramsey）测量（图 4D）。Ramsey 序列由两个宽度为 320 μs（由拉比研究确定）的 π/2 脉冲组成，中间由可变的自由演变间隔 \(\tau _{free}\) 隔开（补充图 S14）。Ramsey 信号随 \(\tau _{free}\) 的增加呈指数衰减，该投影振幅的衰减时间对应于特征相干时间 \(T_{2}^{*}\)。通过将指数包络拟合至 \(e^{-\tau _{free}/T_{2}^{*}}\)，得出光学量子相干时间 \(T_{2}^{*}\) 为 32 μs ± 4 μs。 随后，我们还进行了随自由演变时间（\(\tau _{free}\)）变化的粒子数回波（photon-echo）测量，在 \(\tau _{free}\) 的中心增加了一个额外的 π 脉冲用于重聚（refocus）去相干（图 4E 及补充图 S14）。使用包络线 \(e^{-\tau _{free}/T_{2}}\) 拟合数据，得出 \(T_{2}\) 为 568 ± 61 μs。单指数行为表明，在脉冲光学激发下，HNP 器件中单 Er³⁺ 离子的退相干主要由脉冲激发诱导效应及随后的辐射弛豫动力学主导。在环境条件下观察到的约 568 μs 这一创纪录的超长相干时间，证明了我们的 Er:SiC HNP 抑制了快速去相干路径，并展示了即使在没有低温冷却的情况下也能保持量子相干性。如前所述，SiC HNP 中单 Er³⁺ 的固有光学线宽受限于可调谐电信激光器的展宽，但基于观察到的光学相干时间 \(T_{2}^{*}=32\mu s\)，预计固有光学线宽在数十 kHz 数量级（\(\Delta \nu _{0}=1/(\pi T_{2}^{*})\approx 10\text{\ kHz}\)）。 \

图 5：单 Er³⁺ 高维量子比特（5 能级系统）可见光与近红外（NIR）状态的上转换介导控制。 A. 单 Er³⁺ 高维量子比特的上转换介导光致发光（PL）及显微测量装置示意图。三价 Er³⁺ 的能级图展示了电信波段（~1534 nm）以及参与 Er³⁺ 发光的独特可见光（~518 nm, \({}^{4}I_{15/2}\leftrightarrow ^{2}H_{11/2}\)；~660 nm, \({}^{4}I_{15/2}\leftrightarrow ^{4}F_{9/2}\)）和近红外（~980 nm, \({}^{4}I_{15/2}\leftrightarrow ^{4}I_{11/2}\)）光学跃迁。 (B) 单 Er³⁺ 高维量子比特（Q1）的上转换 PL 特性表征。 i. 上转换介导的光学显微图像，显示了在三个不同波长（518 nm、660 nm、980 nm）下，对应于可独立寻址 Er³⁺ 离子的亚衍射、无背景亮点。ii. 上转换 PL 光谱显示了 518 nm、660 nm 和 980 nm 处的发射。iii. 对应的寿命分别为 164 μs、380 μs 和 712 μs。 C. 通过 660 nm 上转换探测获得的 Q1 代表性 PLE（光致发光激发光谱）及提取的光学线宽，在室温下显示出约 37 MHz 的光学线宽（受限于激光器展宽）。 D. 在谐振激发下，660 nm 处的上转换 PL 展示了拉比（Rabi）振荡。 E. 单 Er³⁺ 高维量子比特演示的多波长、无背景且增强的单光子发射： i. 980 nm 处，\(g^{2}(0)=0.18\)。ii. 518 nm 处，\(g^{2}(0)=0.12\)。

我们实施了一种上转换介导的脉冲序列协议，为单离子高维量子比特（Er:SiC HNPs）建立了无背景、高效率的光学读取路径，并得以访问该高维量子比特器件的多能级结构（\(d=5\) 能级系统）（图 5）。在该方案中，使用一系列 N 个 π 脉冲（N = 2-6）进行约 1533.9 nm 的谐振电信激发，布居到更高能级的激发态，从而产生约 518 nm、660 nm 和 980 nm 的可见光和近红外上转换发射。图 5A 中对应的能级图说明了潜在的激发路径，例如导致约 518 nm 发射的 \({}^{2}H_{11/2}\) 能级。图 5B 显示了来自孤立单离子高维量子比特（Q1）的代表性结果。每个波长的上转换 PL 通过相应的带通滤波器进行选择性收集，并由低光单光子相机（Andor DV437）检测，实现了对单个高维量子比特的亚衍射分辨率（<60 nm）空间分辨成像，该分辨率受限于相机像素分辨率（图 5B i）。 上转换发射的时间分辨光致发光（TRPL）测量得出，518 nm、660 nm 和 980 nm 通道的寿命分别为 164 μs、310 μs 和 700 μs（图 5B iii）。这些寿命明显短于 \({}^{4}I_{13/2}\) 态的 1.2 ms 寿命，这与涉及上转换过程的高能级激发态的辐射衰减是一致的。上转换发射的 PLE 光谱（以 660 nm 发射为例）得出光学线宽约为 37 MHz，这受限于激发激光器的展宽。该读取路径支持相干光学控制，由来自单个 Er³⁺ 离子的上转换介导拉比振荡所证实（图 5D）。上转换发射的脉冲 \(g^{2}\) 测量首次揭示了增强的高 Q 值单光子铒发射。图 5E 展示了 518 nm 和 980 nm 上转换态的代表性示例，分别表现出 0.18 和 0.12 的增强 \(g^{2}(0)\) 值，反映了背景贡献的减少和信号对比度的提高。  

这项工作展示了首个与 CMOS 兼容的确定性单铒离子高维量子比特（qudits）平台，在室温及电信 C 波段下实现了创纪录的长时间相干控制。通过将单个 Er³⁺ 离子集成到亚 5 纳米尺寸的碳化硅（SiC）空心纳米柱（HNPs）器件中，我们克服了低温运行、发射器位置随机以及制造不可扩展等长期存在的障碍。此外，正如拉姆齐（Ramsey）测量和光子统计测量所证实的，我们的量子器件独特地结合了增强的激发效率与无背景、高 Q 值的上转换介导单光子发射，为开发适用于实际、可扩展量子技术的、可部署且无须低温环境的量子光子集成电路（qPICs）开辟了道路。