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(xiàn)單光子輻射穩(wěn)定性，或大幅提高量子集成系統(tǒng)信息加載能力

“一個(gè)有意思的發(fā)現(xiàn)是，對(duì)我來說睡一覺往往是解決科研問題的最好方式。如果采用四種以上方法都沒能解決，我就會(huì)到此打住，因?yàn)檫@說明按照今天的思維去思考，很有可能是錯(cuò)的。反而睡醒起來后，大腦仿佛得到重啟，總能提供完全不一樣的思路。”這是電子科大博士生吳錯(cuò)獨(dú)特的“科研竅門”。

他叫吳錯(cuò)，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(chǔ)與前沿研究院王志明教授團(tuán)隊(duì)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(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、國(guó)家公派獎(jiǎng)學(xué)金、以及四川省優(yōu)秀畢業(yè)生等獎(jiǎng)勵(lì)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(dǎo)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(dǎo)[1]。

自由空間的量子光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)，通常要搭建復(fù)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(jì)算體系的組件進(jìn)行小型化、并實(shí)現(xiàn)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題的復(fù)雜度和維度都更高。

首先是理論更加復(fù)雜，其次是材料不統(tǒng)一。光學(xué)器件的復(fù)雜性，在于使用硅基工藝并不能完全實(shí)現(xiàn)所有光學(xué)特性，還有一系列功能需要其他半導(dǎo)體、以及非線性材料才能實(shí)現(xiàn)，材料工藝的不兼容性使得系統(tǒng)集成面臨巨大挑戰(zhàn)。

此外，也需要設(shè)計(jì)新型的結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制、濾波以及高靈敏的片上單光子探測(cè)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(dāng)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(yīng)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(wěn)定，低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)的工作環(huán)境又異?？量?。金剛石由于本身晶體結(jié)構(gòu)就很穩(wěn)定，且金剛石色心能在常溫下激發(fā)出穩(wěn)定的單光子，從而能在室溫中長(zhǎng)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)?jù)悉，單光子源可被有效耦合到波導(dǎo)上，從而在片上進(jìn)行傳播，但它對(duì)光源的直接調(diào)控能力依然受限。而超表面能對(duì)光學(xué)的本征特性比如偏振轉(zhuǎn)換、偏振選擇、波前相位調(diào)制，來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(xiàn)象和物理現(xiàn)象提供了新理解，揭示了宏觀物理光學(xué)和微觀量子光學(xué)之間的微妙聯(lián)系和應(yīng)用，包括光操作、光通信、目標(biāo)識(shí)別、自旋和軌道相互作用、高階量子糾纏和非線性光學(xué)等。

因此對(duì)于超表面來說，它對(duì)光的調(diào)控能力很強(qiáng)大，應(yīng)用空間也很廣闊。但無論是經(jīng)典光源、還是單光子源，都會(huì)依賴外部光源，比如激光或者自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC，Spontaneous Parametric Down-Conversion）的輸入。這導(dǎo)致將光源直接與超表面集成，成為該領(lǐng)域內(nèi)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(diào)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的制備工藝相兼容呢？

針對(duì)這幾個(gè)具體問題，吳錯(cuò)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(wěn)定性。

而基于銀的金屬襯底，可以支持亞波長(zhǎng)模式的表面等離激元，進(jìn)而提高集成的緊湊性。另外，他還通過將阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)的超表面，精確設(shè)計(jì)在納米金剛石的周圍，來提供相位調(diào)控的功能。

由于吳錯(cuò)采用負(fù)性光刻膠 HSQ（Hydrogen Silsesquioxane Polymers，?種半導(dǎo)體級(jí)純度的氫倍半硅氧烷聚合物）進(jìn)行了一次結(jié)構(gòu)成型，因此對(duì) 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(zhǔn)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(duì)于研究過程，吳錯(cuò)回憶稱，該研究是基于超表面調(diào)控單光子束流相關(guān)研究的延伸探索，立項(xiàng)之初并非按照預(yù)期想法“有意為之”，更像是將科研融入生活后慢慢推進(jìn)來的。

期間主要經(jīng)歷如下階段：理論設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)建模、仿真計(jì)算、構(gòu)建分析算法、器件制備、光路搭建以及實(shí)驗(yàn)表征等。

他說，此次立項(xiàng)要從丹麥疫情和學(xué)校關(guān)停導(dǎo)致無法開展線下實(shí)驗(yàn)說起。

在開展片上軌道角動(dòng)量研究之前，他和合作者已經(jīng)率先開展了另一個(gè)關(guān)于片上提供多個(gè)偏振通道的工作，當(dāng)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(shè)備。因?yàn)橐咔閷?dǎo)致學(xué)校關(guān)停，該工作的進(jìn)度很緩慢。

這時(shí)，吳錯(cuò)被迫只能將一些線下實(shí)驗(yàn)壓縮為線上計(jì)算工作。雖然關(guān)停，但作為科研人員，他依然對(duì)日后可以開展線下實(shí)驗(yàn)充滿期待。

因此，在進(jìn)行計(jì)算工作時(shí)，他設(shè)定了一個(gè)前提條件：僅通過光刻膠 HSQ 的標(biāo)準(zhǔn)加工工藝，來達(dá)到器件的一次成型，這為之后開展片上軌道角動(dòng)量的工作奠定了基礎(chǔ)。

期間，吳錯(cuò)和導(dǎo)師王志明教授、以及丹麥的合作者，時(shí)常在線上開會(huì)探討，借此打破國(guó)際交流阻礙，時(shí)不時(shí)會(huì)萌生很多新想法，比如片上調(diào)控光束偏轉(zhuǎn)、選擇性耦合、打破自旋的對(duì)稱性、以及軌道角動(dòng)量等。

而片上軌道角動(dòng)量，只不過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。通過對(duì)片上軌道角動(dòng)量的理論進(jìn)行了初步推導(dǎo)得知：聚焦的徑向偏振激光，具有非常強(qiáng)的垂直于表面的激發(fā)分量，從而能夠通過 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 矢量并通過外部結(jié)構(gòu)來提供一個(gè)相位因子，便在理論上能夠分解出對(duì)應(yīng)可調(diào)的角動(dòng)量拓?fù)鋽?shù)。

考慮到在實(shí)際制備中的限制，吳錯(cuò)還得盡可能設(shè)計(jì)出與理論相近的器件結(jié)構(gòu)。為此，他采用 FDTD 法（時(shí)域有限差分法，F(xiàn)inite Difference Time Domain），對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和三維全波仿真，因?yàn)榫植繎B(tài)密度將量子****的量子躍遷過程和經(jīng)典電偶極子的輻射過程相互聯(lián)系了起來，因此可以把 NV 色心的垂直分量理想化為電偶極子的激勵(lì)源。

利用 FDTD 中的編程語(yǔ)言，吳錯(cuò)構(gòu)建了從器件結(jié)構(gòu)、性能分析算法、到器件制備的快速實(shí)現(xiàn)和迭代流程。

但根據(jù)計(jì)算結(jié)果他發(fā)現(xiàn)，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?yàn)榻鹪?600nm 以上的波長(zhǎng)存在帶間躍遷，這導(dǎo)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，所以通過覆蓋較薄的二氧化硅層來對(duì)銀進(jìn)行保護(hù)。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(jié)果發(fā)現(xiàn)，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測(cè)，而暗場(chǎng)光學(xué)顯微鏡則可觀察到它的邊緣散射光，因此可利用量子****的定位算法，對(duì)暗場(chǎng)圖像進(jìn)行計(jì)算、來獲取相對(duì)坐標(biāo)，進(jìn)而利用電子束光刻技術(shù)，將給定坐標(biāo)的位置進(jìn)行 HSQ 的曝光顯影成型。

此外，吳錯(cuò)還基于多個(gè) NV 色心的納米金剛石，對(duì)軌道角動(dòng)量光束的調(diào)控進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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確定相對(duì)。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(xiàn)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)，通過適當(dāng)選取測(cè)量的基和次數(shù)，滿足非奇異性條件后，即可對(duì)角動(dòng)量之間的量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量、并驗(yàn)證其糾纏特性。

有效助力高密度量子集成芯片的單片集成

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

熒光的光路對(duì)環(huán)境光非常敏感，因此需要非常暗的環(huán)境來操作和測(cè)量，當(dāng)房間燈一關(guān)閉，黑暗的環(huán)境仿佛把吳錯(cuò)從宏觀世界一下拉進(jìn)量子世界。他像個(gè)洞穴探險(xiǎn)者一樣，摸索著光路的全貌，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(cuò)希望它在未來能極大提升光通訊、全息成像、量子集成系統(tǒng)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。