[发明专利]用于量子和光学应用的合成金刚石材料及其制作方法

说明书

合成金刚石材料，其包含一个或多个自旋缺陷，该一个或多个自旋缺陷具有不大于100MHz的半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度。用于获得这样的材料的方法包括多阶段退火过程。

发明领域

本发明涉及用于量子和光学应用(例如量子光学、量子信息加工、量子密钥分配、单光子源、量子中继器和/或基于量子的传感器件例如磁强计)及其制作方法。某些实施方案涉及合成和随后处理金刚石材料以便由设置在该合成金刚石材料内的自旋缺陷提供改进的发射特性的方法。特别的实施方案涉及化学气相沉积(CVD)的金刚石材料。

发明背景

与光子强烈结合的量子发射体(包括碱原子、捕获的离子、固态缺陷和量子点)在光子计算、量子信息加工、量子传感和计量学和量子网络中具有广泛的技术应用。对于大多数这些应用的要求是光子具有高可能性与发射体相互作用(发射体具有大的吸收横截面)，并且具有高可能性被收集。满足这些要求的一个主要前提是该发射是受傅立叶变换限制的，即该发射的谱线宽度仅由激发态的寿命确定。当谱线宽度比这个受变换限制的谱线宽度更宽时，额外的相移导致吸收横截面的减小和有效收集效率的降低。较宽的谱线宽度可为由与光子的结合、光谱扩散或其它非辐射衰减通道所致。

可使用良好地集中于固态材料中的单层的具有受变换限制的谱线宽度的量子发射体来构造使强烈的单光子非线性成为可能的器件。通过将量子发射体与单一模式波导耦合，例如可以实现单光子晶体管，在该单光子晶体管中通过发射体的内部状态控制一个光子的增殖，而这进而由另一个光子操纵。这样的器件对于光子计算平台是关键的构造单元。

此外，量子发射体例如金刚石中的氮-空位(NV)中心可用作纳米级磁强计，并且提高光子收集效率可剧烈地改进灵敏度。可使用具有受转换限制的零声子谱线(ZPL)的NV中心以高灵敏度探测外部自旋。对于这种应用，NV集中接近金刚石表面也是重要的，因为来自外部来源的磁场随着距离快速衰减。

另外，具有受转换限制的谱线宽度的NV中心可用于混合量子体系中，在该混合量子体系中NV中心与另一个量子系统例如用于微波至光子转化的超导电路、用于光子-光子转化的光机体系和光电器件耦合。

认为来自多个光子发射体的多光子量子纠缠对于某些量子加工应用是关键的要素。为了实现这样的纠缠需要来自不同发射体的光子为量子力学上不可区分的。

已知来自多个气态发射体的多光子量子纠缠，包括来自陷阱中的单个原子/离子的发射。这通过如下实现：由气态发射体产生在带宽、频率和极化方面是相同的光子发射，使得来自不同发射体的光子为量子力学上不可区分的。可使这些相同的光子在分束器中重叠以实现远程量子纠缠。

前述方法对于固态发射体是有问题的。这是因为固态体系中光学转变的能量由于固态晶体体系内的应变和电子环境的变化而改变。固态发射体的发射特性的差异可由杂质、内部晶体缺陷例如位错、外部缺陷例如由加工损伤所致的那些、和/或其它外部缺陷例如通过电场的Stark调谐(tuning)引起。因此由两个不同的固态发射体发射的光子在带宽、频率和极化方面改变并且为量子力学上可区分的。因此，这样的光子在分束器或相当的装置上重叠时不经历量子纠缠。

前述问题的一个解决方案是将用于探测来自光子发射体的光子的探测器装置的分辨率降低至来自不同来源的光子对于探测器来说是不可区分的程度。例如，通过使用具有高时间分辨率的探测器，这进而导致低频率分辨率，这可使光子不可区分。然而，较高的计时分辨率需要每个二进制中计数率高于噪音例如暗计数，并且来自固态材料中的缺陷的单光子发射可为非常弱的。例如，金刚石材料中光子发射的氮-空位缺陷(NV^-)，其为固态量子加工应用的主要候选物，甚至在低温下仍然展现出与0.05级别的Debye-Waller因子相关的宽光谱发射。零声子谱线(ZPL)中单个光子的发射那么是典型的十万个光子每秒的级别。由于差的收集效率通常探测仅约0.1－1％的这种发射，导致低计数率。这样的计数率对于在合理的数据采集时间内基于使用高时间分辨率(即低频率分辨率)探测器的光子干涉实现先进的量子信息加工协议是不充足的。