Temporal coherence of single photons emitted by hexagonal Boron Nitride defects at room temperature
本研究表明，尽管六方氮化硼缺陷在室温下能够发射单光子，但其时间相干性受到快速声子去相位过程的严重限制，这表明对于依赖于光子干涉的可行量子光子学应用而言，低温环境是必要的。
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在探索基于量子物理奇特规则的新型技术的征途中，科学家们正在寻找可靠的单粒子光源。这些光源对于诸如超安全通信和强大计算等任务至关重要，在这些任务中，信息是由单个光子而非电流流携带的。为了让这些系统发挥作用，光子不仅必须逐个发射，而且还必须彼此相同，能够像池塘中的涟漪一样发生重叠和干涉。这种保持同步的能力，被称为时间相干性，是开启量子网络潜力的关键。虽然某些材料可以产生这些完美的单光子，但它们通常需要极低的温度才能工作，这使得它们在日常使用中并不实用。六方氮化硼是一种薄如单张纸片的材料，它已成为一个极具前景的候选者，因为它可以在室温下发光，为无需笨重制冷设备的量子器件提供了一条路径。
一支研究团队着手测试这些室温发射体是否真的能满足量子干涉的严格要求。他们专注于六方氮化硼晶体中的微小缺陷，这些缺陷充当了单光子的天然来源。科学家们想要测量这些缺陷发出的光在被材料原子的混沌振动破坏信号之前，能保持多久的相干性（或与自身同步的状态）。为此，他们使用了一种经典的光学工具——迈克尔逊干涉仪，该仪器将一束光分成两条路径，然后将其重新合并。通过仔细调节其中一条路径的长度，他们可以在两部分光束之间引入微小的延迟。如果光子是完美相干的，它们会相互干涉，产生可见的明暗条纹图案。如果相干性丢失，这种图案就会消失。
实验揭示了这些发射体在室温下行为的残酷现实。当研究人员引入仅几百飞秒（一个如此短暂的时间尺度，仅为一千万亿分之一秒）的延迟时，干涉图样完全消失了。这种相干性的快速丧失意味着晶体内原子的振动（称为声子）几乎瞬间就破坏了光信号。研究发现，这些破坏过程发生的频率比缺陷自然发射光子的时间快了四个数量级。简单来说，在原子甚至还没完成释放光子的任务之前，光就已经失去了相互干涉的能力。研究人员还检查了用于激发缺陷的激光颜色如何影响这一行为。他们发现，虽然改变激光颜色会改变亮度和所发光的特定混合比例，但并不能显著减缓由室温环境下的热量和振动引起的快速相干性丧失。
该团队还证实，这些缺陷确实是单光子源，这意味着它们一次只释放一个光粒子，这是量子应用的一个基本要求。然而，相干性丧失的速度表明，电子与振动晶格之间的强相互作用是主导因素。这种相互作用在室温下如此强大，以至于实际上阻止了使用这些特定的发射体进行依赖光子干涉的协议，例如创建纠缠粒子对。研究人员指出，虽然这些缺陷足够亮且稳定，可以用于某些不需要干涉的量子通信类型，但利用它们在室温下进行更先进的量子计算任务的梦想仍然遥不可及。
最终，研究得出结论，要充分利用这些六方氮化硼缺陷的潜力，必须显著降低环境温度。观察到的快速退相干是由于室温下的热能导致晶格剧烈振动直接导致的。作者建议，未来的工作应侧重于将这些缺陷置于低温环境下的光学腔中，在那里振动被“冻结”，从而使光子能够保持足够的相干性，以用于复杂的量子操作。目前，这些发现提供了一个清晰的边界标记：虽然六方氮化硼是一种迷人的室温发光材料，但在没有极端低温辅助的情况下，其当前形式尚不足以成为最严苛的基于干涉的量子技术的解决方案。
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