電子科大博士生解決高密度量子芯片單片集成難題，室溫下實(shí)現單光子輻射穩定性，或大幅提高量子集成系統信息加載能力

“一個(gè)有意思的發(fā)現是，對我來(lái)說(shuō)睡一覺(jué)往往是解決科研問(wèn)題的最好方式。如果采用四種以上方法都沒(méi)能解決，我就會(huì )到此打住，因為這說(shuō)明按照今天的思維去思考，很有可能是錯的。反而睡醒起來(lái)后，大腦仿佛得到重啟，總能提供完全不一樣的思路?！边@是電子科大博士生吳錯獨特的“科研竅門(mén)”。

他叫吳錯，生于 1994 年，四川綿陽(yáng)人。本科畢業(yè)于電子科技大學(xué)，后被保送到該?；A與前沿研究院王志明教授團隊讀博，期間接觸到物理光學(xué)并產(chǎn)生了濃厚興趣，后接受南丹麥大學(xué)納米光學(xué)中心和電子科大的聯(lián)培。此前曾獲國家獎學(xué)金、國家公派獎學(xué)金、以及四川省優(yōu)秀畢業(yè)生等獎勵和榮譽(yù)。

1 月 12 日，他的最新一作論文以《室溫片上軌道角動(dòng)量單光子源》（Room-temperature on-chip orbital angular momentum single-photon sources）為題發(fā)表在 Science Advances 上，電子科技大學(xué)為一單位 ，其導師王志明教授與南丹麥納米光學(xué)中心主任謝爾蓋·博熱沃爾尼（Sergey I. Bozhevolnyi）院士以及丁飛教授共同參與指導[1]。

自由空間的量子光學(xué)計算系統，通常要搭建復雜的光學(xué)組件，體積也比較大。如何將自由空間的量子光學(xué)計算體系的組件進(jìn)行小型化、并實(shí)現緊湊性，是下一代集成解決方案的研究方向。

不同于電學(xué)集成，光子的本征特性使得該研究所面臨問(wèn)題的復雜度和維度都更高。

首先是理論更加復雜，其次是材料不統一。光學(xué)器件的復雜性，在于使用硅基工藝并不能完全實(shí)現所有光學(xué)特性，還有一系列功能需要其他半導體、以及非線(xiàn)性材料才能實(shí)現，材料工藝的不兼容性使得系統集成面臨巨大挑戰。

此外，也需要設計新型的結構去實(shí)現相位調制、濾波以及高靈敏的片上單光子探測等功能。

量子集成光學(xué)芯片的核心組件是有源部件，即在片上就能提供量子光學(xué)所需的單光子源。當前，可用于片上集成的光源體系主要有量子點(diǎn)、二維材料應力缺陷、DBT 分子和納米金剛石色心。

前三者的常溫壽命極短且不穩定，低溫和強磁場(chǎng)的工作環(huán)境又異?？量?。金剛石由于本身晶體結構就很穩定，且金剛石色心能在常溫下激發(fā)出穩定的單光子，從而能在室溫中長(cháng)時(shí)間工作，這極大幫助了單光子源在室溫條件下的集成。

另?yè)?，單光子源可被有效耦合到波導上，從而在片上進(jìn)行傳播，但它對光源的直接調控能力依然受限。而超表面能對光學(xué)的本征特性比如偏振轉換、偏振選擇、波前相位調制，來(lái)改變傳播方向和形成軌道角動(dòng)量。

特別是軌道角動(dòng)量光束，為光學(xué)現象和物理現象提供了新理解，揭示了宏觀(guān)物理光學(xué)和微觀(guān)量子光學(xué)之間的微妙聯(lián)系和應用，包括光操作、光通信、目標識別、自旋和軌道相互作用、高階量子糾纏和非線(xiàn)性光學(xué)等。

因此對于超表面來(lái)說(shuō)，它對光的調控能力很強大，應用空間也很廣闊。但無(wú)論是經(jīng)典光源、還是單光子源，都會(huì )依賴(lài)外部光源，比如激光或者自發(fā)參量下轉換（SPDC，Spontaneous Parametric Down-Conversion）的輸入。這導致將光源直接與超表面集成，成為該領(lǐng)域內始終未被攻克的難題。

要想給難題照進(jìn)曙光，起碼需要解決如下分支問(wèn)題：一是光源如何有效集成在片上？二是所集成的光源能否輻射單光子并調控軌道角動(dòng)量么？三是單光子源能在室溫下工作么？四是集成能否與 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）的制備工藝相兼容呢？

針對這幾個(gè)具體問(wèn)題，吳錯采用NV色心的納米金剛石作為量子****，從而保證室溫條件下單光子輻射的穩定性。

而基于銀的金屬襯底，可以支持亞波長(cháng)模式的表面等離激元，進(jìn)而提高集成的緊湊性。另外，他還通過(guò)將阿基米德螺旋結構的超表面，精確設計在納米金剛石的周?chē)?，?lái)提供相位調控的功能。

由于吳錯采用負性光刻膠 HSQ（Hydrogen Silsesquioxane Polymers，?種半導體級純度的氫倍半硅氧烷聚合物）進(jìn)行了一次結構成型，因此對 CMOS 的制備工藝非常友好。

最終生成的器件，****出的單光子束具有良好的準直特性，并帶有不同的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量，且兩種角動(dòng)量態(tài)具有糾纏特性。

對于研究過(guò)程，吳錯回憶稱(chēng)，該研究是基于超表面調控單光子束流相關(guān)研究的延伸探索，立項之初并非按照預期想法“有意為之”，更像是將科研融入生活后慢慢推進(jìn)來(lái)的。

期間主要經(jīng)歷如下階段：理論設計、結構建模、仿真計算、構建分析算法、器件制備、光路搭建以及實(shí)驗表征等。

他說(shuō)，此次立項要從丹麥疫情和學(xué)校關(guān)停導致無(wú)法開(kāi)展線(xiàn)下實(shí)驗說(shuō)起。

在開(kāi)展片上軌道角動(dòng)量研究之前，他和合作者已經(jīng)率先開(kāi)展了另一個(gè)關(guān)于片上提供多個(gè)偏振通道的工作，當時(shí)需要用到南丹麥大學(xué)麥斯克勞森研究所（The Mads Clausen）的設備。因為疫情導致學(xué)校關(guān)停，該工作的進(jìn)度很緩慢。

這時(shí)，吳錯被迫只能將一些線(xiàn)下實(shí)驗壓縮為線(xiàn)上計算工作。雖然關(guān)停，但作為科研人員，他依然對日后可以開(kāi)展線(xiàn)下實(shí)驗充滿(mǎn)期待。

因此，在進(jìn)行計算工作時(shí)，他設定了一個(gè)前提條件：僅通過(guò)光刻膠 HSQ 的標準加工工藝，來(lái)達到器件的一次成型，這為之后開(kāi)展片上軌道角動(dòng)量的工作奠定了基礎。

期間，吳錯和導師王志明教授、以及丹麥的合作者，時(shí)常在線(xiàn)上開(kāi)會(huì )探討，借此打破國際交流阻礙，時(shí)不時(shí)會(huì )萌生很多新想法，比如片上調控光束偏轉、選擇性耦合、打破自旋的對稱(chēng)性、以及軌道角動(dòng)量等。

而片上軌道角動(dòng)量，只不過(guò)是眾多想法中的一員。由于 NV 色心中含有兩個(gè)正交的偶極子，其具有偏振不敏感的特性。通過(guò)對片上軌道角動(dòng)量的理論進(jìn)行了初步推導得知：聚焦的徑向偏振激光，具有非常強的垂直于表面的激發(fā)分量，從而能夠通過(guò) NV 色心激發(fā)出在金屬襯底表面徑向分布的表面等離激元，將徑向分布的電場(chǎng)簡(jiǎn)化為 Jones 矢量并通過(guò)外部結構來(lái)提供一個(gè)相位因子，便在理論上能夠分解出對應可調的角動(dòng)量拓撲數。

考慮到在實(shí)際制備中的限制，吳錯還得盡可能設計出與理論相近的器件結構。為此，他采用 FDTD 法（時(shí)域有限差分法，Finite Difference Time Domain），對螺旋結構進(jìn)行建模和三維全波仿真，因為局部態(tài)密度將量子****的量子躍遷過(guò)程和經(jīng)典電偶極子的輻射過(guò)程相互聯(lián)系了起來(lái)，因此可以把 NV 色心的垂直分量理想化為電偶極子的激勵源。

利用 FDTD 中的編程語(yǔ)言，吳錯構建了從器件結構、性能分析算法、到器件制備的快速實(shí)現和迭代流程。

但根據計算結果他發(fā)現，好的軌道角動(dòng)量特性和超高的耦合效率之間存在一定的取舍，最終選擇優(yōu)先保證軌道角動(dòng)量的特性。

在實(shí)際制備中，通過(guò)熱沉積和磁控濺射，可加工出所需光學(xué)厚度的銀襯底、以及較薄的二氧化硅層。

為何選用金屬銀？是因為金在 600nm 以上的波長(cháng)存在帶間躍遷，這導致表面等離激元的吸收損耗會(huì )高很多，為保證更高的出射光子效率，因此選用了損耗更低的銀。

而銀在空氣中容易氧化，所以通過(guò)覆蓋較薄的二氧化硅層來(lái)對銀進(jìn)行保護。此外，二氧化硅層還能防止量子****的熒光淬滅、以及提高 HSQ 介質(zhì)與襯底之間的粘附性。

結果發(fā)現，含多個(gè) NV 色心的納米金剛石粒徑在~100nm，在明場(chǎng)光學(xué)顯微鏡下不易被直接觀(guān)測，而暗場(chǎng)光學(xué)顯微鏡則可觀(guān)察到它的邊緣散射光，因此可利用量子****的定位算法，對暗場(chǎng)圖像進(jìn)行計算、來(lái)獲取相對坐標，進(jìn)而利用電子束光刻技術(shù)，將給定坐標的位置進(jìn)行 HSQ 的曝光顯影成型。

此外，吳錯還基于多個(gè) NV 色心的納米金剛石，對軌道角動(dòng)量光束的調控進(jìn)行了實(shí)驗驗證。

其次，他還讓單個(gè) NV 色心的納米金剛石作為單光子源，由于其粒徑更小，可利用熒光掃描圖像來(lái)確定相對。集成到器件前后的 NV 色心，其二階相關(guān)性分別顯示為 0.17 和 0.22，表現出明顯的單光子特征（小于 0.5 即可）。

利用量子態(tài)層析技術(shù)，通過(guò)適當選取測量的基和次數，滿(mǎn)足非奇異性條件后，即可對角動(dòng)量之間的量子態(tài)進(jìn)行測量、并驗證其糾纏特性。

有效助力高密度量子集成芯片的單片集成

回顧研究過(guò)程，吳錯表示：“我在光路搭建時(shí)，受到了南丹麥大學(xué)沙里什·庫馬爾（Shailesh Kumar）教授的指導，他總能從不一樣的數學(xué)路徑來(lái)理解量子物理，讓我受益頗豐?！?/span>

熒光的光路對環(huán)境光非常敏感，因此需要非常暗的環(huán)境來(lái)操作和測量，當房間燈一關(guān)閉，黑暗的環(huán)境仿佛把吳錯從宏觀(guān)世界一下拉進(jìn)量子世界。他像個(gè)洞穴探險者一樣，摸索著(zhù)光路的全貌，在搭建期間用廢了四組 AAA 電池。正是這樣的付出，使他完成了該研究。

由于該成果可同時(shí)加載多個(gè)自旋和軌道角動(dòng)量光束，吳錯希望它在未來(lái)能極大提升光通訊、全息成像、量子集成系統的信息加載和傳輸能力，并能夠有效助力于高密度量子集成芯片的單片集成。