固态自旋色心因能芯片材料中实现单光子发射与自旋量子比特操控，成为量子信息处理的重要候选方案。其中，电荷态的稳定性直接影响色心的发光强度、寿命和可重复读出性能，是从实验室走向实际应用的关键。 然而在实际应用中，色心电荷态容易受光照、缺陷环境和载流子过程影响，导致电荷态漂移甚至荧光淬灭，削弱光子源的稳定性和量子态测量的对比度。如何在常温、非共振条件下实现可靠的电荷态控制，并用于可集成读出，一直是该领域的难题。 碳化硅中的改性双空位色心意义在于较好的荧光性质和自旋读出对比度，更符合工程化需求。但长期以来，这类色心在非共振激发下缺乏可观测的电荷态转换路径，使其优势难以转化为可控的器件能力。 针对此难点，郭光灿院士团队通过氧离子注入在4H碳化硅外延层中制备了高浓度改性双空位色心，在室温条件下进行非共振激发实验。研究人员分别使用1064纳米和914纳米激光，实现了改性双空位色心的光电离和光充电过程，演示了电荷态在两种状态间的可逆转换。通过测量不同激发光功率下的电离和充电曲线，团队发现电离速率和充电速率随光功率呈线性变化，并提出了由载流子陷阱介导的电荷态转换模型。 这一进展体现在三个上： 首先方法层面，首次在非共振激发条件下实现改性双空位色心的电荷态调控，使该体系能在更接近实际器件工作方式的条件下稳定运行，降低了对精细共振激发和苛刻实验环境的依赖。 其次在机理层面，研究证实电离过程存在自旋依赖性。团队通过微波脉冲将色心制备到不同自旋态，比较电离过程中的荧光衰减差异，实验验证了自旋态对电离动力学的调制作用。 第三在应用层面，自旋依赖的电荷转换机制为自旋—电荷态转换读出提供了基础，有望与光电流探测等电学测量手段结合，为构建可扩展、可集成的碳化硅量子比特读出接口奠定基础。 面向工程化应用，后续研究需在材料、缺陷和器件的协同上推进：一是完善改性双空位色心的结构识别和一致性制备，提升不同晶圆和工艺条件下的可重复性；二是围绕载流子陷阱和局域缺陷环境开展可控调参，通过离子注入、退火工艺和外延质量优化，降低电荷噪声和随机电离造成的闪烁；三是推动光学操控与电学读出的一体化设计，探索与微纳电极、光波导等片上结构集成的方案，使自旋读出从荧光对比度扩展到电学信号和系统级接口。 碳化硅作为成熟的宽禁带半导体材料，具有完整的产业链基础和器件加工能力，在发展片上量子器件上具有现实优势。此次在室温下实现改性双空位色心的可逆电荷态调控并揭示自旋依赖机制，有助于打通从可观测的自旋信号到可集成的读出接口的关键环节。随着机理模型的更验证和器件平台的系统化构建，基于碳化硅色心的量子传感、量子通信和可扩展量子信息处理有望取得新进展。涉及的成果已在线发表于《Nano Letters》，研究得到国家科技重大专项、国家自然科学基金委员会和中国科学技术大学等支持。
量子信息技术的发展充满挑战，每一项基础性突破都为实现实用化量子计算奠定基础。中国科大团队碳化硅改性双空位色心电荷态调控上的成果，不仅解决了长期存在的科学难题，也为我国在量子芯片领域的自主创新指明了方向。随着这个基础研究的深入，碳化硅量子芯片有望成为我国量子计算产业化的重要支撑，为我国在全球量子技术竞争中贡献力量。