Резонансное флуоресцирование и неразличимые фотоны от когерентно возбуждаемого B-центра в hBN

Превращение крошечных дефектов в источники квантового света

Квантовые технологии обещают сверхбезопасную связность и новые мощные способы вычислений, но они зависят от потоков одиночных, точно совпадающих частиц света. В этом исследовании показано, как крошечные несовершенства — «B‑центры» — внутри ультратонкого кристалла гексагонального нитрида бора (hBN) могут выступать в роли надёжных, почти идеальных источников одиночных фотонов, что приближает практические квантовые фотонные чипы к реальности.

Особый вид дефекта

Большинство материалов проектируют так, чтобы избегать дефектов, но для квантовой оптики правильный тип дефекта может оказаться сокровищем. В hBN, слоистом материале, похожем на графен, определённые точечные дефекты, известные как B‑центры, испускают отдельные фотоны с очень точно определённой длиной волны. Эти дефекты можно создавать в заданных позициях, и они обычно излучают вблизи определённого синего диапазона, что делает их привлекательными строительными блоками для встроенных квантовых устройств. До настоящей работы эксперименты как правило использовали косвенные, нерезонантные способы возбуждения — этого было достаточно, чтобы зарегистрировать свет, но недостаточно для полного использования их квантовой когерентности, необходимой для предсказуемого интерферирования фотонов друг с другом.

Точное лазерное управление дефектами

Исследователи решили эту задачу, возбуждая B‑центры полностью резонансным образом: они настраивали лазер так, чтобы его цвет точно совпадал с внутренним переходом дефекта. Такой способ возбуждения, называемый резонансным флуоресцированием, позволяет точно контролировать квантовое состояние дефекта и значительно улучшает синхронность и однородность испускаемых фотонов. Чтобы это работало, они поместили тонкие кристаллы hBN с B‑центрами поверх серебряного зеркала в тщательно спроектированную металло‑диэлектрическую структуру, которая повышает сбор света и при этом остаётся достаточно плоской для управления поляризацией. Используя хитрый приём «перекрёстной поляризации» — выравнивание поляризаторов на путях возбуждения и сбора под прямым углом — им удалось сильно подавить засветку от отражённого лазерного света и выделить гораздо более слабые фотоны, испускаемые одиночным B‑центром.

Наблюдение чётких квантовых признаков

С этой установкой команда изучила ответ B‑центра при непрерывном и импульсном лазерном возбуждении. Сначала, наблюдая свет в фоновой фононной полосе — фотоны, испускаемые с слегка пониженной энергией из‑за колебаний кристаллической решётки — они картировали ширину линии и динамику эмиттера и продемонстрировали чистое излучение одиночных фотонов с очень высокой чистотой. При более сильном резонансном возбуждении их свет прошёл через высокоразрешающую Fabry–Pérot‑фильтрацию, и они наблюдали так называемый триплет Молла: центральную эмиссионную линию в окружении двух симметричных боковых полос, разнос которых растёт пропорционально квадратному корню из мощности лазера. Этот характерный рисунок является классическим признаком когерентного взаимодействия света и вещества и подтверждает, что дефект ведёт себя как близкая к идеальной двухуровневой квантовой система, где исходящие фотоны надёжно наследуют когерентность, заданную лазером.

Создание по-настоящему неразличимых фотонов

Для многих задач квантовой информатики одного факта наличия одиночных фотонов недостаточно — они должны быть ещё и неразличимы, чтобы два фотона, приходящие на полупрозрачный делитель, сливались в один выходной канал, а не выходили по разным. Это явление, известное как интерференция Хонга–Оу–Мандела, является чувствительным тестом качества фотонов. Исследователи использовали короткие резонансные лазерные импульсы для возбуждения B‑центра и затем тщательно фильтровали и отсекали по времени фотоны из нулевой фононной линии, которые меньше всего подвержены возмущениям вибраций. Они собрали интерферометр, который сводит последовательные фотоны вместе на делителе и считал количество совпадений кликов детекторов. Сильное падение совпадений для одинаковых поляризаций по сравнению с контрольным измерением с ортогональной поляризацией показало очень высокие видимости интерференции — около 0,93 и 0,92 для двух разных эмиттеров — что указывает на то, что фотоны почти идеально неразличимы.

От лабораторной демонстрации к квантовым схемам

Проще говоря, эта работа показывает, что крошечные инженерные дефекты в двумерном кристалле могут функционировать как почти идеальные, управляемые «лампочки» одиночных фотонов, производящие фотоны настолько похожие, что они фактически ведут себя как один, когда встречаются. Поскольку эти B‑центры можно размещать с высокой точностью, они имеют почти идентичные цвета и могут настраиваться электрически, они являются перспективными кандидатами для создания больших массивов идентичных квантовых источников света на чипе. Интеграция их в продвинутые фотонные структуры, такие как микрорезонаторы и волноводы, может привести к ярким, масштабируемым и высококогерентным источникам фотонов, лежащим в основе будущих квантовых коммуникационных сетей и оптических квантовых компьютеров.

Цитирование: 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

Ключевые слова: источники одиночных фотонов, гексагональный нитрид бора, резонансное флуоресцирование, квантовая фотоника, неразличимые фотоны