金刚石量子技术—缺陷之美

17 June | Pauline Alvarez

金刚石能否实现构建量子计算机所需的可扩展性和可靠性？

目前来看，这是个关乎100万美元的问题，或者应该说是180亿美元。据Research And Market报告，预计到2024年，全球量子计算市场规模将达到这一水平。

世界各地的研究人员正投入大量的时间、精力和金钱来寻找这一棘手问题的答案。有人把赌注押在超导量子比特上，另一些人正沿着囚禁离子的路线前进，还有相当多的人正在研究量子点、拓扑量子比特和光子量子比特（请查看我们之前关于Harnessing Quantum的文章，以快速了解各种量子技术平台）……另外，别忘了还有金刚石！

金刚石正吸引着人们对它应有的关注，并在研究团体和大公司中找到了一些强有力的支持者。其原因是什么？制备金刚石量子比特有什么难点？这些将是我们今天要讨论的问题。

首先，什么样的量子比特算“好”？

研究人员在构建量子计算机上面临着诸多方面的挑战。除了量子存储器必须表现出量子的基本特性，即叠加、纠缠和干涉（请阅读量子比特特性简介）之外，它们还应该有足够长的相干时间来运行任何计算，并且能够以一种可复制、易操作的方式批量制造。这样，我们就可以成功构建拥有多个量子比特的系统，从而释放其运行复杂仿真和建模的潜力。而这些是当今技术不可能达到的，即使是很强大的超级计算机。如果还能再多提点要求，我们希望量子计算机在低功耗下运行。

左下：合成的金刚石衬底；右上：被注入的氮原子；右下：氮空位（NV）中心

金刚石的有趣之处

您可以想象，要找到这样一种可以满足上述所有条件的技术是多么地让人头疼。到目前为止，实际上还没有。因此，我们并不真正期望金刚石能够超越当前所有技术平台。但它确实有其利用价值，这主要归功于金刚石独特的晶体结构。

准确地说，金刚石量子比特本质上是一种近乎完美的晶体结构中的缺陷。首先晶体结构中存在氮空位，通常被称为NV色心，它是通过“敲掉”两个相邻的碳原子，然后用氮原子取代其中一个，从而留下一个未配对的电子（因为氮是三价的，碳是四价的）和一个空位。这个未配对的电子转移到附近的空位，然后被人为操纵：它可以进入与能级相对应的激发态，或降到与能级相对应的低能态，或者成为这两个态的叠加态。以此方式形成一个量子比特，用于存储信息和执行逻辑运算。此外，还有其他类型的缺陷，比如天然存在的同位素¹³C，也可以用作量子比特。

它们之间的共同点—特别有趣的是，围绕这些量子比特几乎完美的金刚石晶格恰巧为它们提供了与外部相互作用之间极大的隔离度，否则会导致它们退相干并失去其量子态。而通常情况下，量子比特是极易退相干的。这种隔离水平，主要是与金刚石化学键的特殊刚度有关，导致晶体内的晶格振动处于极低的水平，使金刚石量子比特能够在室温下工作。超导量子比特或量子点也展现出了良好的稳定性，但需要冷却至超低温环境。因此，金刚石量子比特大大降低了功耗。

最近，Delft University纠缠量子比特的量子态可以保持长达10秒，使NV色心成为稳定度排第二的量子比特，仅次于囚禁离子。但是，囚禁离子需要在多台激光器的辅助下才能工作。相比之下，金刚石量子比特的简易性及其固态性质，在器件集成方面表现出明显的优势。

最后，NV色心有一个非常吸引人的特性，即能够与光耦合：它们可以吸收和发射波长明确的光子，这正是我们处理这些量子比特所依赖的原理。随着量子信息被编码成光子，它为利用现有的数据通信基础设施进行远距离数据传输提供了令人振奋的机会。

这似乎有希望，但是如何将光子从金刚石中提取出来呢？

的确如此，光的全内反射赋予金刚石闪闪发光的外观，也使得从中提取光子变得异常困难。然而，我们确实需要从NV色心中取出光子，因为它们携带着量子信息。这就是为什么NV色心需要非常接近晶体表面的原因。形成这些NV色心的一种方法是注入氮原子对金刚石进行掺杂。但事实证明，直接注入氮原子至其表面之下非常浅层的位置是相当困难的。

因此，牛津仪器开发了一种金刚石减薄工艺，使NV色心更靠近新形成的表面，同时保持其完整性。我们基于牛津仪器PlasmaPro 100 Cobra系统的RIE工艺可以快速刻蚀整个块材料，同时保证刻蚀的表面可控且无残留或污染、具有非常低的粗糙度（通常低于3 ），以限制噪声和光学损耗，并能及时终止氧化反应以对浅层量子比特提供额外的保护。

为进一步促使光子从NV色心中取出，我们还提出了将金刚石表面直接纳米图形化为光子晶体的解决方案，或者利用等离子体刻蚀III-V族材料（被键合在金刚石衬底上）形成光子晶体。

最后，我们确实了解到，基于金刚石的量子技术虽然前景向好，但并不完美。从更长期的发展来看，量子器件很可能采用混合结构，包含不同量子比特类型，每种量子比特都为定制的应用程序执行特定的活动。

牛津仪器同时提供超导量子比特和光子量子比特的解决方案，其中包括PEALD，采用这种技术沉积的NbN和TiN薄膜，其临界温度可分别高达12.9K和3K，用于互连和谐振器；PECVD，可沉积低损耗SiN_x，用作光传输波导；以及光学元器件的Bosch工艺或低温刻蚀技术，刻蚀后侧壁光滑度高，具有低刻蚀速率、高选择性和V形缺口控制等特性。

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