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Electrically tunable, two-photon interference from remote silicon-vacancy centers in industrial silicon carbide

本研究表明，工业级碳化硅 p-i-n 二极管中的硅空位中心可作为分布式量子网络的可扩展且光谱稳定的平台，在为期 26 天的时间内，在极低维护的情况下实现了远程节点间高可见性的双光子干涉。

原作者： Fedor Dzmitryevich Hrunski, Daniel Scheller, Maximilian Hollendonner, Kim Ullerich, Shravan Kumar Parthasarathy, Chiun Fu, Andre Pointner, Wolfgang Knolle, Florian Kaiser, Durga Bhaktavatsala Rao Dasa

发布于 2026-09-10

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CC BY 4.0

原作者： Fedor Dzmitryevich Hrunski, Daniel Scheller, Maximilian Hollendonner, Kim Ullerich, Shravan Kumar Parthasarathy, Chiun Fu, Andre Pointner, Wolfgang Knolle, Florian Kaiser, Durga Bhaktavatsala Rao Dasari, Roland Nagy

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

量子互联网的梦想依赖于一个简单但苛刻的原则：为了将远距离的计算机连接在一起，它们必须能够使用单个光粒子来交换信息。为了使这种交换奏效，从一处发送的光粒子必须与从另一处发送的光粒子完全相同，就像是一对分离在外的双胞胎。如果这些粒子的颜色或时间稍有差异，它们就无法融合以产生用于安全通信或分布式计算所需的纠缠。挑战在于如何利用可以大规模生产的固体材料来创造这些完全相同的粒子。虽然自然界提供了一些完美的发射体，但它们非常稀有且难以控制。科学家们长期以来一直在寻求一种方法，通过对一种常见的工业材料进行工程化处理，使其能够发出满足这些精密量子连接所需精度的光，并确保这种光能长期保持稳定，而非仅仅是转瞬即逝。

在最近的一项实验中，研究人员展示了利用一种被称为碳化硅的标准工业半导体即可实现这种稳定性。在这种材料内部，他们发现了被称为硅空位的微小缺陷，这些缺陷充当了单光子源。团队将这些缺陷置于被称为 p-i-n 二极管的特殊电子结构中，这使得他们能够通过电来控制光的特性。通过施加特定的电压，他们可以调节每个缺陷所发出的光的颜色，使其匹配一个精确的目标。他们在分布在两个不同样品中的 19 个不同光源上测试了这种方法。无需事先挑选出最好的光源，他们成功地调整了每个光源的电压，直到所有 19 个光源都以完全相同的频率发射光。此外，电控技术缩小了光颜色的分布范围，使发射变得极其纯净且一致。

随后，研究人员将其中两个调谐后的光源分别放入两个独立的低温恒温器中，并将温度保持在 4 开尔文（仅略高于绝对零度）。这两个恒温器相距两米，模拟了未来网络中节点之间的距离。他们将来自这两个光源的光引导至一个中心点，使两束光在此重叠。当来自两个不同位置的光粒子相遇时，它们以一种证明了它们具有不可区分性的方式相互干涉。实验显示了高度的重叠，光波的可见度达到了 82%。这一水平被认为是远程固态系统的最先进水平，并证实了这两个远距离光源发出的光实际上是完全相同的。

这项研究的一个关键部分不仅在于实现这种匹配，还在于如何长期保持这种状态。量子网络需要能够运行数天或数周而无需不断进行人工调整的系统。团队连续进行了 26 天的实验，累计收集了超过 600 小时的数据。在此期间，由于环境的微小波动，光源的频率自然发生了漂移。然而，电控系统起到了自动稳定器的作用。每隔两小时，系统就会检查光的颜色，并通过微调电压将其带回目标值。这种反馈机制非常有效，研究人员平均每 8.4 小时才需要对一个光源进行一次干预重置，而另一个光源则是每 19.4 小时一次。这种长期稳定性是一个重要的进步，因为它降低了维持量子网络运行所需的开销和复杂性。

研究结果表明，工业级碳化硅中的硅空位中心是分布式量子网络中一种可行且可扩展的构建模块。通过将电控调谐光至统一频率的能力与维持该频率长达数天的能力相结合，研究人员解决了该领域的两个主要障碍。他们证明了可以从独立制造的设备中创造高质量、不可区分的光子，而无需从极少数稀有样本中进行筛选。这项工作表明，这些固态系统可以集成到标准的电子元件中并进行远程操作，为大规模部署量子技术提供了一条切实可行的路径。

技术摘要：工业级碳化硅中远程硅空位中心的电控可调双光子干涉

问题陈述
实现可扩展的分布式量子网络需要空间分离的网络节点能够发射出具有高光谱稳定性且在长时间尺度内保持不可区分性的光子。虽然固态基质（如金刚石）中的色心已展示出极具前景的自旋-光子接口，但它们面临两个主要挑战：

光谱非均匀性与展宽： 独立创建的缺陷由于局部电荷噪声和显著的非均匀频率分布，通常表现出宽泛的光学跃迁谱线。
长期稳定性： 实现并维持独立节点之间的光谱匹配非常困难。短期稳定性必须低于光学线宽以实现干涉，而长期稳定性则是为了最小化重新校准和调谐的开销，从而提高网络的占空比。

现有的解决方案通常依赖于在窄频率范围内预选特定的中心，或者使用复杂的局部斯塔克位移（Stark-shift）电极，这对于大规模部署而言过于繁琐。

方法论
作者通过利用集成在 4H-SiC（一种成熟的工业级半导体材料）中、采用侧向掺杂 p-i-n 二极管结构的硅空位（VSi）色心来解决这些挑战。其核心方法包括：

器件集成： VSi 中心被嵌入到在 4H-SiC 晶圆上制造的工业可用侧向掺杂 p-i-n 二极管结构中。该二极管的本征区宽度为 4.1 µm。
电控手段： 通过在 p-i-n 二极管两端施加反向偏置电压，作者实现了两种互补效应：
- 直流斯塔克位移（DC Stark Shift）： 调节 VSi 中心的发射频率。
- 电荷耗尽（Charge Depletion）： 抑制局部静电环境的波动，从而使光学线宽变窄。
实验设置： 选择了来自不同工业级样品的两个独立 VSi 中心（VSi,1A 和 VSi,2B）。每个样品分别安置在独立的闭循环低温恒温器中，两者相距两米。
测量协议：
- 表征： 对 19 个 V式 VSi 中心进行了表征，以验证其光谱可调性和线宽收窄特性。
- 双光子干涉： 使用离共振激发（728 nm）驱动 A2 跃迁进行了一项 Hong-Ou-Mandel (HOM) 干涉实验。发射的光子通过单个 Fabry-Pérot 微腔进行滤波，以隔离 A2 零声子线（ZPL），随后在自由空间 50:50 分束器上进行干涉。
- 稳定性控制： 实现了一个双环控制系统，用于长达 628 小时（26 天）的测量任务。快速环（10 秒间隔）用于稳定 Fabry-Pérot 微腔共振，而慢速环（2 小时间隔）通过共振光致发光激发（PLE）监测绝对发射频率，并调整二极管偏置以维持光谱重叠。

核心贡献

展示了大规模部署的可调谐性： 本研究证明了标准工业级 SiC 晶圆中的 VSi 中心可以在无需预选的情况下，被电控调节至一个共同的目标频率。
光谱收窄： p-i-n 二极管结构成功地将所有 19 个表征样品的中心光学线宽收窄至 60 MHz 以下，接近寿命极限。
长期远程干涉： 作者首次对保存在不同低温恒温器中的不同 4H-SiC 样品中的 VSi 中心进行了全面的双光子干涉研究。
自动化稳定性： 实现的自动化反馈系统允许在长达 26 天的时间内维持光谱匹配，对于稳定性较差的节点，平均每 8.4 小时仅需进行一次偏置调整。

结果

线宽与调谐： 19 个表征中心展现出的线宽均低于 60 MHz。发射频率对反向偏置表现出线性依赖关系（约 4.33 GHz/MV/m），使得所有中心都能被调谐至一个共同的目标频率（ $\nu_T = 327.23100$ THz）。
双光子干涉可见度： 实验实现了 82.0% (0.820 ± 0.006) 的原始双光子干涉可见度。
- 平行偏振配置下的归一化零延迟互相关函数为 $G^{(2)}_{12,\parallel}(0) = 0.091(3)$ ，远低于 0.5 的经典极限。
- 正交偏振控制下的结果为 $G^{(2)}_{12,\perp}(0) = 0.506$ ，证实了光子在此配置下的可区分性。
稳定性分析：
- 在整个实验周期内，两个中心之间的相互失谐均值为 1.9 MHz，标准差为 15.5 MHz。
- 可见度间隙（实测 82% 与理论最大值之间的差异）被定量归因于残余光谱扩散（标准差为 15.5 MHz）以及发射体非傅里叶极限的特性，而非实验缺陷。
- 系统对样品 A 的偏置修正间隔为 19.4 小时，对样品 B 为 8.4 小时，这表明其长期稳定性显著优于典型的固态系统。

意义
本文确立了集成在电控 p-i-n 二极管结构中的工业级 4H-SiC 中的硅空位中心，是构建分布式量子网络中可扩展且光谱稳定的基本单元。研究结果表明，无需复杂的预选或低温纳米光子结构，即可在实际时间尺度（数周）内维持高水平的双光子干涉可见度。82% 的可见度与目前远程固态发射器的最前沿水平（与金刚石中远程锡空位中心的结果相匹配）一致，同时具备使用标准工业半导体制造工艺的优势。这项工作验证了利用 SiC 中的 VSi 中心实现大规模、多节点量子网络的可行性。

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