共鳴蛍光とコヒーレント駆動されたhBN中のB中心からの識別不可能な光子

微小な欠陥を量子光源に変える

量子技術は超安全な通信や新しいタイプの強力な計算を約束しますが、それには単一で完全に一致した光子の流れが必要です。本研究は、超薄膜結晶である六方晶窒化ホウ素（hBN）内部の微小な不完全性「B中心」が、高信頼でほぼ理想的な単一光子源として機能し、実用的な量子フォトニックチップの実現に一歩近づけることを示しています。

特殊な種類の欠陥

ほとんどの材料は欠陥を避けるよう設計されますが、量子光学においては適切な欠陥が宝となり得ます。グラフェンに似た層状材料であるhBNでは、B中心として知られる点欠陥が非常に明確な色（波長）の個々の光子を放出します。これらの欠陥は任意の位置に作製でき、特定の青側の波長付近で発光する傾向があり、オンチップ量子デバイスの有望な構成要素となります。しかしこれまでの実験では、これらのエミッタを非共鳴的な間接励起で扱うことが多く、光を観測するには十分でも、光子同士が予測可能に干渉するために必要な量子コヒーレンスを十分に活用するには不十分でした。

レーザー精度で欠陥を駆動する

研究者たちはB中心を完全共鳴的に励起することでこの問題に取り組みました。レーザーの色を欠陥の内部遷移に正確に合わせることで、共鳴蛍光と呼ばれる駆動が可能になり、欠陥の量子状態を精密に制御でき、放出される光子のタイミングと均一性が大幅に改善します。これを実現するために、B中心を含む薄いhBN結晶を銀鏡の上に置き、光収集を増強しつつ偏光制御が可能な平坦な金属-誘電体スタックを設計しました。励起経路と収集経路の偏光子を直交させる工夫した“クロス偏光”トリックにより、反射されたレーザー光のまぶしさを強く抑制し、単一のB中心から放出されるはるかに弱い光子を分離することに成功しました。

明確な量子の署名を観測する

このセットアップにより、連続およびパルスレーザー励起の両方でB中心の応答を詳しく調べることができました。まずフォノン側帯—結晶の振動によってわずかにエネルギーの低い光子—で光をモニターすることで、エミッタのライン幅とダイナミクスをマッピングし、非常に高純度の単一光子放出を示しました。より強い共鳴駆動下では、高分解能のファブリ・ペロー（Fabry–Perot）フィルターを通して光を観測し、いわゆるモロー三重項（Mollow triplet）を確認しました：中央の発光線を両側の対称なサイドバンドが挟み、サイドバンドの分離がレーザー出力の平方根に従って大きくなるパターンです。この特徴的なスペクトルはコヒーレントな光–物質相互作用の教科書的な指標であり、欠陥が理想的な二準位量子系のように振る舞い、放出光子がレーザーによって付与されたコヒーレンスを忠実に受け継いでいることを裏付けます。

真に識別不可能な光子を作る

多くの量子情報処理では、単に単一光子があるだけでは不十分で、到着する二つの光子がビームスプリッタで合流したときに一つの出力経路にまとめられるよう、光子が互いに識別不可能である必要があります。この現象はホン–オー–マンデル（Hong–Ou–Mandel）干渉として知られ、光子品質を測る感度の高い検査です。研究者らは短い共鳴パルスレーザーでB中心を励起し、振動による乱れが最も少ないゼロフォノン線の光子を慎重にフィルタリングして時間ゲーティングしました。連続する光子同士をビームスプリッタ上で重ねる干渉計を構築し、検出器の同時検出（コインシデンス）の頻度を数えました。同一偏光のときにコインシデンスが大きく低下し、直交偏光の対照測定と比べて強いディップが現れました。異なる二つのエミッタでそれぞれ約0.93と0.92という高い干渉可視性が得られ、光子がほぼ完全に識別不可能であることを示しています。

実験室デモから量子回路へ

日常語で言えば、本研究は二次元結晶の微小に設計された欠陥が、ほぼ理想的で制御可能な単一光子の“電球”として機能し、出会うと実質的に一つの振る舞いをするほど類似した光子を生成できることを示しています。これらのB中心は高精度で配置でき、ほぼ同一の色を持ち、電気的にチューニング可能であるため、チップ上に多数の同一量子光源を並べて構築する有望な候補です。マイクロキャビティや導波路などの高度なフォトニック構造に統合することで、将来の量子通信ネットワークや光学的量子コンピュータの中心となる、明るくスケーラブルで高コヒーレンスな光子源の実現につながる可能性があります。

引用: Gérard, D., Buil, S., Watanabe, K. et al. Resonance fluorescence and indistinguishable photons from a coherently driven B centre in hBN. Nat Commun 17, 1843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68555-5

キーワード: 単一光子エミッタ, 六方晶窒化ホウ素, 共鳴蛍光, 量子フォトニクス, 識別不可能な光子