作者：J. Kevin Nangoi       加州大学圣塔芭芭拉分校博士后研究员

          Mark E. Turiansky    加州大学圣塔芭芭拉分校的博士后研究员

          Chris G. Van de Walle 加州大学圣塔芭芭拉分校教授

图1. AI生成图片展示了硅中稳定、适用于电信波段的CN中心缺陷复合体（右）相较于更脆弱的T中心的优势。

量子技术有望通过利用物质在原子尺度上的特殊行为，变革计算、通信和传感领域。要将量子的前景转化为实用器件，需要同时具备理想量子特性且易于制造的物理系统。基于超导电路的量子比特（量子构建单元）已制成可运行的量子计算机，但设备尺寸、复杂的制造工艺和操作方式仍是实现此类计算机可扩展性的挑战。另一方面，作为当今计算机芯片基础材料的硅，作为平台极具吸引力，因为它能发挥现有万亿美元级半导体产业的优势。这使得在硅中寻找量子比特成为一个重要的前沿研究领域。

量子比特可以基于晶体中的原子尺度缺陷。一个典型例子是氮-空位（NV）中心，即金刚石晶体中一个氮（N）原子相邻一个空位（V，即一个缺失的碳原子）。这些缺陷既能与电子相互作用，也能与光相互作用，从而能够发射单光子（光量子），用于传输量子信息或在量子网络中进行处理。

硅作为缺陷量子比特的宿主材料日益受到关注，因为与金刚石不同，硅成熟的制造和加工工艺将有助于实现量子计算机和网络的可扩展生产。我们在加州大学圣塔芭芭拉分校的团队近期在硅中发现了一种稳定的新型量子比特，可望成为已被大量研究的硅基T中心的有力替代方案（见图1）。

面向量子信息应用的硅基T中心
近期大量研究聚焦于T中心，这是一种由碳原子和氢原子构成的硅缺陷（见图2左），能够长时间存储量子信息，其相干时间可与NV中心（毫秒级）相媲美。量子信息存储于电子自旋（源于未配对电子）和氢原子核自旋中。T中心还能在电信O波段发光，实验测量的零声子线（ZPL）为935 meV（1326 nm）。然而，T中心中氢（H）的存在使其较为脆弱，对制造条件敏感。氢在晶体中容易移动，且在加工过程中难以控制，这给实现可重复且可靠的器件制造带来了挑战。

图2. T中心和CN中心的原子结构以及局域在缺陷处（黄色）的电子密度。蓝色球体为硅原子，棕色为碳，浅粉色为氢，银灰色为氮。

CN中心：一种更稳定的硅缺陷
我们的团队确定了T中心的一种有前景的替代方案：CN中心，它由碳（C）和氮（N）原子构成（见图2右）。CN中心在化学上与T中心类似，因为N与C+H具有相同数量的质子和电子。与H一样，N也具有非零核自旋。由于CN中心不含H，它将更加稳定，且在实际器件中更易实现。

我们采用先进的第一性原理计算机模拟，在原子尺度上对该缺陷进行建模。这些模拟使我们能够预测尚未在实验中实现的新材料的物性，并有助于指导未来新型器件的工程设计与制造。具体而言，我们利用密度泛函理论结合最先进的杂化泛函，精确预测了缺陷的稳定原子结构和相应的电子结构。

我们将多达1000个硅原子放入称为“超胞”的模拟盒子中，并相应放置缺陷原子，以此构建模型系统。结果表明，CN中心在分解为碳和氮的替位及间隙缺陷方面具有稳定性。我们还证明，CN中心再现了使T中心对量子应用具有吸引力的关键电子和光学特性。与T中心类似，对应于ZPL跃迁的电子激发态涉及束缚激子，其空间范围超出了计算上可处理的模拟胞尺寸。为应对这一挑战，我们开发了一种新方法，从在计算可行胞中进行的计算外推激子特性，从而能够可靠地计算光学性质。我们预测其ZPL位于电信S波段，为828 meV（1498 nm）。

在硅中发现一种无氢、电信波长的量子光发射器，是弥合量子科学与可扩展技术之间差距的重要一步。CN中心可作为一种实用的新型量子器件构建单元，有望在使用当今电子产业所依赖的同样硅材料的前提下，加速先进量子技术的发展。

本研究由美国能源部科学办公室基础能源科学办公室通过量子优势协同设计中心（C2QA）提供资助。