近日，来自 滑铁卢大学 的研究团队在量子器件领域取得一项新进展：他们开发出一种全新的纳米级金刚石光学结构，可更高效地收集和控制光，从而提升量子传感与固态量子计算系统的性能。相关成果发表于 Science Advances，论文题为《Probing Individual Quantum Emitters in Bulk Semiconductors via Photonic Nanojets》。

       这项研究由 Behrooz Semnani 主导，在 Michal Bajcsy 团队完成。研究人员提出了一种能够产生“光子纳米喷流（Photonic Nanojet）”的新型结构，可在纳米尺度上精准聚焦光束，并增强光与量子缺陷之间的相互作用。

       在当前的固态量子技术中，金刚石、碳化硅以及硅等材料，都可以通过引入类似“原子缺陷”的结构形成量子比特（Qubit）。这些缺陷通常也被称为“色心”或“量子发射体”，能够在激光作用下完成初始化、操控与读出，同时还能充当单光子源，是量子计算和量子传感的重要基础。

       不过，实际应用中存在一个长期难题：由于金刚石等材料折射率较高，缺陷发出的光子往往被困在材料内部，难以有效提取；与此同时，想用激光精准照射单个缺陷也并不容易。这些问题限制了量子器件的效率与规模化发展。

       为解决这一问题，研究团队采用“逆向设计（inverse design）”方法，对金刚石表面的一种二维微结构进行了自动优化。最终形成的器件尺寸仅约1微米，大约只有人类头发丝宽度的百分之一。

       这一特殊结构能够像“漏斗”一样，将光压缩并聚焦成高度局域化的纳米光束，即“光子纳米喷流”，从而精准瞄准金刚石中的单个量子缺陷。同时，该结构还能像光学天线一样，提高缺陷发射光子的提取效率。

       为了验证这一概念，研究团队在合成金刚石样品中，对经典的“氮空位中心（NV Center）”进行了实验测试，并成功实现了单缺陷探测。

       研究人员表示，与此前一些复杂的纳米光学结构相比，这种“纳米喷流”器件具有明显优势。一方面，其制造工艺更加简单，采用的是较为成熟常见的微纳加工技术；另一方面，其结构对材料本身的破坏较小，更容易与现有半导体制造工艺兼容，因此更适合未来规模化量子器件制造。

       研究团队认为，该技术未来有望广泛应用于量子磁场传感、量子通信以及固态量子计算架构。例如，在量子传感领域，它能够帮助探测更微弱的磁场信号，从而推动生物医学成像、无GPS环境导航等技术的发展；在量子计算领域，则有助于提升单个量子比特的操控和读出能力，并增强量子信息在不同量子比特之间的传输效率。

       此外，研究人员还指出，这种结构甚至能够在较低品质的金刚石材料中实现单缺陷探测，而无需依赖昂贵的高纯度金刚石晶体，这意味着未来低成本量子传感器的开发将更具可行性。

       目前，该器件已在滑铁卢大学量子纳米制造与表征平台完成制备。研究团队下一步计划将这一技术扩展到更多半导体材料体系，包括碳化硅等新型量子材料，以探索更多量子发射体的应用潜力。