硅基量子材料取得突破 新型碳氮中心有望加速量子技术实用化进程

问题:量子信息技术走向实用化,关键在于获得可重复、可集成、可长时间运行的“量子单元”。

在固态体系中,晶体内部的原子级点缺陷因能够与电子自旋和光相互作用、并发射携带量子信息的单光子,被视为构建量子通信节点、量子网络中继以及部分量子处理架构的重要基础。

然而,许多性能优异的缺陷中心分布在金刚石等材料体系中,与现有大规模半导体制造链条的耦合成本较高。

业界普遍期待在硅这一成熟平台上找到兼具性能与可制造性的量子光源与量子存储单元。

原因:此前研究已在硅中发现可用于量子信息的缺陷体系,例如被称为T中心的结构,其优势在于可实现较长量子信息保持时间,并能发射适合光纤传输的电信波段光子。

但T中心包含氢元素,氢在晶体中易迁移、易参与反应,导致制程窗口窄、参数敏感度高,从而增加缺陷生成与器件一致性控制的难度。

这一“可做但难以做稳、做大”的矛盾,成为硅基量子器件进一步迈向工程化的重要掣肘。

正是在这一背景下,寻找不依赖氢、同时具备电信波段发光能力的替代缺陷结构,成为研究热点。

影响:研究团队在最新工作中提出并“锁定”一种不含氢的碳氮(CN)中心,并通过第一性原理计算对其结构与光学、电子学特性进行系统刻画。

结果显示,CN中心在关键性质上与T中心具有相似的可用性:能够在电信波段产生稳定光发射,具备成为单光子源的潜力;同时由于不含氢,其结构更为“强韧”,理论上可降低材料处理过程中因氢迁移带来的不确定性。

若后续实验验证其在实际器件环境下仍保持稳定发射与良好量子相干特性,这一结构有望成为硅基量子技术的“通用积木”,推动量子光源、量子节点与硅光子芯片更紧密耦合。

对于面向远距离量子通信而言,电信波段意味着与现有光纤基础设施兼容,可减少额外波长转换带来的系统复杂度与损耗;对于面向芯片级扩展而言,硅平台的制造生态完善,潜在规模化路径更清晰。

对策:从“论文概念”走向“工程器件”,仍需跨越从理论到实验、从材料到工艺的多重门槛。

业内人士指出,下一阶段研究可围绕三方面展开:其一,发展可控的缺陷引入与定位方法,例如离子注入与退火参数优化、外延生长过程中的杂质控制等,以实现CN中心的可重复制备;其二,评估其在不同温度、应力与电磁环境下的发光稳定性、谱线一致性及量子相干时间,并探索与腔量子电动力学结构耦合以提升发光效率与可收集度;其三,推动与硅光子器件、波导、调制与探测模块的一体化设计,形成从光源到线路再到读出的系统级方案。

同时,建立统一的测量标定与可靠性评估体系,将有助于不同研究团队之间的结果对比与技术迭代。

前景:总体看,在硅中发现并提出无氢CN中心,为“可扩展量子技术扎根硅基”提供了新的候选路径。

其价值不仅在于性能指标本身,更在于对制造可控性与产业衔接的潜在改善。

随着量子通信网络、量子传感与专用量子计算等方向加速推进,能够兼顾电信波段兼容性、材料稳定性与工艺可重复性的固态单光子源将更受关注。

未来若CN中心在实验中展现出稳定的单光子纯度、足够窄的谱线及可操作的自旋或电荷态读出机制,其应用版图有望从量子密钥分发节点扩展到分布式量子计算的接口器件,并进一步与现有硅基集成电路工艺形成协同。

量子技术的星辰大海需要坚实的地基支撑。

CN中心的发现不仅是对材料缺陷工程的突破性探索,更是对量子产业化痛点的精准回应。

当基础研究持续撬动关键材料瓶颈,量子计算这场静悄悄的科技革命,终将在硅基材料的沃土上结出丰硕果实。