中国科大实现碳化硅量子节点中的室温纠缠存储

我校郭光灿院士团队在碳化硅固态量子存储研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时等人利用单个浅层4H-碳化硅PL6色心构建多比特量子节点，实现了室温下量子纠缠的相干转移与长寿命存储，将纠缠寿命延长约240倍。相关成果9月4日发表于国际知名学术期刊《物理评论快报》。

量子纠缠是量子计算、量子网络和量子精密测量的核心资源，但在固态体系中容易受到环境噪声影响。面向量子传感和器件集成的浅层色心虽然有利于感知外部信号并与微纳结构耦合，却也面临电子自旋快速退相干的问题。混合电子-核自旋体系为解决这一问题提供了可行路径：利用电子自旋进行快速操控和光学读出，并将量子态相干转移至对环境噪声更不敏感的核自旋中长期存储。碳化硅兼具晶圆级生长、缺陷可控制备和成熟微纳加工等优势，其自旋色心可在室温下实现光学初始化、操控与读出。因此，如何基于碳化硅浅层色心构建可完全寻址的多比特量子节点，实现纠缠态的高保真生成、相干转移与长寿命存储，成为发展室温固态量子技术的关键问题。

研究团队在4H-碳化硅中制备了距表面约15纳米的单个PL6色心。该色心的电子自旋与两个邻近的硅核自旋发生强耦合，形成由一个电子自旋处理比特和两个核自旋存储比特组成的三比特量子节点。团队实现了三个比特的初始化与相干操控，并在室温下制备出核自旋Bell纠缠态和三比特GHZ型纠缠态，保真度分别达到94±2%和89±4%。在此基础上，研究团队首先制备电子自旋与一个核自旋之间的Bell纠缠态，随后利用交换（SWAP）门将纠缠相干转移至两个核自旋，使其与易受噪声影响的电子自旋解耦。转移后的核自旋Bell态保真度仍达到92.5±2.5%，纠缠寿命则由1.06±0.05微秒延长至244±17微秒，提升约240倍，实现了室温下纠缠态的高保真、长寿命存储，如图1所示。

图1：碳化硅色心体系中室温下量子纠缠的转移与长寿命存储。（a）通过SWAP门将电子-核自旋纠缠转移至两个核自旋；（b、c）转移前后的量子态重构结果；（d）纠缠转移至核自旋后，寿命提升约240倍。

团队还在由硅、碳两种核自旋构成的另一量子节点中重复实现了纠缠转移与存储，验证了该方案对不同核自旋组合的适用性。对200个单PL6色心的统计表明，超过10%的色心天然耦合两个或更多可用核自旋，为碳化硅多比特量子节点的可重复构建提供了基础。

该研究在浅层单色心体系中实现了电子自旋快速处理与核自旋长寿命存储的功能结合，展示了碳化硅量子节点在室温下保护和操控纠缠资源的能力。结合碳化硅在晶圆级制备、缺陷可控构筑和器件集成方面的优势，该成果为发展纠缠增强量子传感、可扩展固态量子节点及集成量子器件提供了重要支撑。

论文共同第一作者为中国科学技术大学博士研究生任朔和梁睿健。研究得到国家自然科学基金委、合肥国家实验室、中国科学院和中国科学技术大学的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/454t-n78h

（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）