在hBN中的相干驱动B中心的共振荧光与不可区分光子

把微小缺陷变成量子光源

量子技术承诺实现超安全通信和强大的新型计算，但它们依赖于单个、完全匹配的光子流。这项研究展示了如何利用超薄晶体——六方氮化硼（hBN）中的微小缺陷“B中心”作为高度可靠、近似理想的单光子源，使实用的量子光子芯片更进一步。

一种特殊的缺陷

大多数材料在制造时会尽量避免缺陷，但对量子光学而言，合适的缺陷反而是宝贵资源。在类石墨烯的层状材料hBN中，称为B中心的点缺陷会发射具有非常明确颜色的单个光子。这些缺陷可以在选定位置制造，并且通常在某个特定的蓝色波长附近发射，使它们成为片上量子器件的有吸引力的构件。然而直到现在，实验通常采用间接的、非共振方式激发这些发射体——这足以观察到光，但不足以充分利用它们的量子相干性，而相干性对光子之间可预测的相互干涉至关重要。

用激光精确驱动缺陷

研究人员通过对B中心进行完全共振的激发来解决这一问题：他们将激光调谐到与缺陷内部跃迁精确匹配的颜色。称为共振荧光的这种驱动方式允许对缺陷的量子态进行精确控制，并大幅改善发射光子的时序和一致性。为使该方法可行，他们将含有B中心的薄hBN晶体置于一面银镜之上，构成精心设计的金属—介电层叠结构，以增强光收集同时保持足够平坦以控制偏振。利用巧妙的“交叉偏振”技巧——在激发与收集路径中将偏振器互相正交排列——他们能强烈抑制反射激光的眩光，并分离出单个B中心发射的微弱光子。

观察清晰的量子特征

在该装置下，团队可以在连续和脉冲激光激发条件下研究B中心的响应。他们先在声子边带中监测光——即由于晶格振动而带有略低能量的发射光子——据此绘制出发射体的线宽和动力学，并证明了具有极高纯度的清洁单光子发射。在更强的共振驱动下，他们将光导入高分辨率法布里–珀罗滤波器，观察到所谓的莫洛三重峰（Mollow三重峰）：一个中心发射线被两个对称的边带包围，且边带间隔随激光功率的平方根增大。这一标志性图谱是相干光与物质相互作用的教科书式特征，证实该缺陷表现得很像理想的两能级量子系统，发射光子忠实继承了激光施加的相干性。

制备真正不可区分的光子

对于许多量子信息任务，单光子本身还不够——光子还必须彼此不可区分，以便两个光子在分束器处相遇时合并到同一输出通道而不是分别离开。这一现象称为Hong–Ou–Mandel干涉，是检验光子质量的敏感工具。研究人员使用短脉冲共振激光激发B中心，然后对零声子线（受振动干扰最小的那些光子）进行精细滤波和时间门控。他们搭建了一个干涉仪，将相邻发射的光子在分束器上合并，并统计探测器的同期点击次数。与正交偏振的对照测量相比，在相同偏振下同期计数出现明显抑制，显示出非常高的干涉可见度——对于两个不同的发射体分别约为0.93和0.92——表明这些光子几乎完全不可区分。

从实验室演示走向量子电路

通俗地说，这项工作表明二维晶体中经工程化的微小缺陷可以像近乎理想、可控的单光子“灯泡”那样工作，产生的光子相似到在相遇时表现得像同一个光子。由于这些B中心可以高精度定位、色散几乎相同并可电调，它们是构建片上大规模同质量量子光源阵列的有前景候选者。将它们集成到微腔、波导等先进光子结构中，可能产生明亮、可扩展且高度相干的光子源，成为未来量子通信网络和光学量子计算机的核心。

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

关键词: 单光子发射体, 六方氮化硼, 共振荧光, 量子光子学, 不可区分光子