范德瓦尔斯量子光源的制备与应用研究

Quantum photon source is the fundamental resource in the quantum information technology, and plays the crucial role in the applications of quantum computation, quantum metrology and quantum cryptography. Van der Waals (Vdw) quantum source is a new type solid-state quantum photon source discovered recently. It has attracted lots of attentions in light of the outstanding integration ability and various photoelectricity properties of the vdw materials. The vdw quantum source discovered includes the transitional metal dichalcogenides quantum source and the hexagonal boron nitride quantum source. At present, the quantum emission performance of the vdw quantum source can be optimized further, and it is necessary to study experimentally the quantum emission mechanism and intrinsic energy level thoroughly. The main part of this project is to realize the stable and high-efficiency production of the hexagonal boron nitride quantum source by the masking-assisted ion implantation process, and to construct the high-performance hybrid system constituted by the fiber cavity and vdw quantum source. Moreover, this project will study the spin property of the vdw quantum source by the optically detected magnetic resonance technology, and develop the application of the vdw quantum source in quantum information.

量子光源是光量子信息技术中的基本资源，在量子计算、量子度量、量子密钥等量子信息任务中具有重要的应用价值。范德瓦尔斯量子光源是一类近年来新发现的固态量子光源，依托于范德瓦尔斯材料自身优秀的微纳集成性以及丰富的低维光电特性，其一经发现便引起了科研领域的广泛关注。目前已发现的范德瓦尔斯量子光源包括过渡金属硫化物量子光源和六方氮化硼量子光源，其量子辐射性能仍存在较大的优化发展空间，同时相关辐射机制和内禀能级也亟需深入系统的实验研究。本项目的主要研究内容包括通过掩模辅助离子注入实现稳定高效六方氮化硼量子光源制备，并进一步实现其与光纤微腔集成的高效范德瓦尔斯量子光源的构建，同时本项目也将利用磁共振光学探测技术探索范德瓦尔斯量子光源的自旋能级特性，拓展范德瓦尔斯量子光源在量子信息中的应用。

六方氮化硼作为一种宽禁带范德瓦尔斯材料，存在多种稳定的色心缺陷结构，能用于制备室温下稳定的量子光源。同时六方氮化硼具备范德瓦尔斯材料的天然层状特性，因此在微纳集成方面具有天然优势。本项目利用多种技术手段实现了六方氮化硼量子光源的制备、研究和应用，主要取得如下成果：研究了多种离子注入参数对六方氮化硼色心缺陷制备效率的影响，优化离子注入参数并实现自旋缺陷的高效制备；利用聚焦离子束、掩膜辅助离子注入、飞秒激光直写、微孔阵列吸附等多种技术手段，实现了位置可控的六方氮化硼量子光源高效制备；实现光纤腔的加工，以及光纤腔与六方氮化硼量子光源耦合系统的搭建；对六方氮化硼色心缺陷自旋实现了光学初始化和探测，对缺陷系综和单缺陷自旋实现了的室温下的自旋相干操控；观测并研究了六方氮化硼色心缺陷中电子和核自旋之间相互耦合的多自旋相干动力学；在六方氮化硼中发现一种新型碳氧相关色心缺陷，并实现包含可控自旋的高亮度单光子源的制备；利用六方氮化硼色心缺陷实现基于固态自旋的温度传感应用；利用单光子源实现非厄米量子动力学模拟、非幺正弱值放大、波粒二象性测量等量子信息实验研究。上述研究成果为基于六方氮化硼材料的单光子源和固态自旋制备提供了多种高效技术手段，并对六方氮化硼量子光源的特性机制和应用进行了深入研究。上述工作为后续将范德瓦尔斯材料应用于基于固态自旋和单光子的量子信息研究奠定基础，并能够推动基于范德瓦尔斯材料与微纳光子结构的混合量子器件的制造发展。