Temporal coherence of single photons emitted by hexagonal Boron Nitride defects at room temperature
本研究は、六方晶窒化ホウ素の欠陥が室温で単一光子を放出する一方で、その時間的コヒーレンスは急速なフォノン脱位相プロセスによって著しく制限されることを示しており、これは、光子干渉に依存する実行可能な量子フォトニクス応用において極低温が必要であることを示唆している。
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量子物理学の奇妙な規則に基づいた新しい種類のテクノロジーを構築するという探求において、科学者たちは信頼できる単一の光粒子の光源を探索しています。これらの光源は、情報が電気の流れではなく個々の光子によって運ばれる超セキュアな通信や強力なコンピューティングといったタスクに不可欠です。これらのシステムが機能するためには、光子が一つずつ放出されるだけでなく、池に広がる波紋のように重なり合い、干渉できるほど互いに同一である必要があります。この、互いに歩調を合わせる能力として知られる時間的コヒーレンス（可干渉性）こそが、量子ネットワークの可能性を解き放つ鍵となります。これらの完璧な光子を生み出すことができる材料もありますが、それらは機能するために極低温を必要とすることが多く、日常的な使用には不向きです。紙一枚ほどの薄さを持つ六方晶窒化ホウ素は、室温で光を放出できるため、嵩高い冷却装置を必要としない量子デバイスへの道を提供する有望な候補として浮上してきました。
研究チームは、これら室温エミッターが量子干渉の厳しい要求を真に満たせるかどうかをテストするために着手しました。彼らは、単一光子の自然な光源として機能する、六方晶窒化ホウ素の結晶内にある微小な欠陥に焦点を当てました。科学者たちは、材料の原子の混沌とした振動によって信号が乱される前に、これらの欠陥からの光がどの程度、コヒーレント（あるいは自己と歩調が合っている状態）であり続けるかを測定したいと考えました。これを行うために、彼らは光のビームを二つの経路に分割してから再結合させる、マイケルソン干渉計と呼ばれる古典的な光学ツールを使用しました。一方の経路の長さを慎重に調整することで、光ビームの二つの半分との間に、ごくわずかな遅延を生じさせることができました。もし光子が完全にコレントであれば、それらは互いに干渉して、明暗の縞模様の目に見えるパターンを作り出します。もしコヒーレンスが失われれば、このパターンは消失します。
実験の結果、室温におけるこれらのエミッターの挙動に関する厳しい現実が明らかになりました。研究者がわずか数百フェムト秒（1000兆分の1秒という極めて短い時間スケール）の遅延を導入しただけで、干渉パターンは完全に消失しました。この急速なコヒーレンスの喪失は、結晶内の原子の振動、すなわちフォノンが、光をほぼ瞬時に乱していることを意味していました。この研究では、これらの破壊的なプロセスが、欠陥が自然に光子を放出するのにかかる時間よりも4桁も速く発生していることが判明しました。簡単に言えば、原子が光を放出するという仕事を終える前に、光は自らと干渉する能力を失ってしまうのです。研究者たちはまた、欠陥を励起するために使用されるレーザーの色が、この挙動にどのように影響するかについても調査しました。レーザーの色を変えると明るさや放出される光の特定の混合比は変化するものの、室温環境による熱と振動によって引き起こされる急速なコヒーレンスの喪失を、有意に遅らせることはできないことが分かりました。
チームはまた、これらの欠陥が、確かに単一光子源であること、つまり量子アプリケーションの基本要件である「一度に一つの光粒子を放出する」ものであることを確認しました。しかし、コヒーレンスが失われる速度は、電子と振動する結晶格子との間の強い相互作用が支配的な要因であることを示唆しています。この相互作用は室温では非常に強力であり、光子の干渉に依存するプロトコル（例えば、粒子の絡み合い状態の生成など）の利用を事実上妨げています。研究者たちは、これらの欠陥が明るく安定しているため、干渉を必要としない特定のタイプの量子通信には適しているものの、より高度な量子コンピューティング・タスクのための室温での利用という夢は、依然として手の届かないところにあると指摘しました。
最終的に、本研究は、これらの六方晶窒化ホウ素の欠陥の潜在能力を最大限に活用するためには、環境を大幅に冷却する必要があると結論付けています。観察された急速なデフェージング（位相緩和）は、室温に存在する熱エネルギーが結晶格子を激しく揺さぶっている直接的な結果です。著者らは、将来の研究において、振動が凍結され、光子が複雑な量子操作に有用なほど長くコヒーレンスを維持できる場所である、極低温下の光共振器内にこれらの欠陥を配置することに焦点を当てるべきであると示唆しています。現時点では、これらの知見は明確な境界線を示すものとなっています。すなわち、六方晶窒化ホウ素は室温での光放出において魅力的な材料ではありますが、極低温の助けなしには、最も要求の厳しい干渉ベースの量子テクノロジーに対する解決策にはまだなり得ないということです。
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