Altıgen Bor Nitrür'deki Tek Foton Yayıcıların Polarizasyon Dinamikleri ve Kuantum Anahtar Dağıtımındaki Uygulamaları

Abstract

Kuantum teknolojilerinin ilerlemesi, yüksek performanslı katı-hal tek foton kaynaklarının geliştirilmesine kritik düzeyde bağlıdır. Gelişmekte olan platformlar arasında, altıgen bor nitrür (hBN) içindeki kusurlar, oda sıcaklığında parlak ve kararlı tek foton emisyonu göstermeleri nedeniyle önemli ölçüde dikkat çekmiştir. Ancak, kuantum bilgisini kodlamak için hayati önem taşıyan polarizasyon özelliklerinin kapsamlı bir şekilde anlaşılması, dinamik etkileri göz ardı eden zaman ortalamalı ölçüm teknikleri nedeniyle sınırlı kalmıştır. Bu tez, hBN'deki tekil foton yayıcıların nanosaniye ölçeğindeki polarizasyon dinamiklerine yönelik çok yönlü bir araştırmayı sunmakta ve bu yayıcıların kuantum anahtar dağıtımı uygulamasındaki başarılı kullanımını göstermektedir. İlk olarak, doğrusal polarizasyonun zaman çözünürlüklü bir analizini sunup uygulayarak, doğrusal polarizasyon derecesinin statik olmadığını, bunun yerine emisyon ömrü boyunca önemli ölçüde evrildiğini ortaya koyuyoruz. En yüksek düzeyde polarize olmuş fotonların, bozunmanın ilk birkaç nanosaniyesi içinde yayıldığını bulduk. Bu davranışı çözümlemek için, ardından tam bir zaman çözünürlüklü Stokes parametre analizi gerçekleştirdik. Bu gelişmiş yöntem, doğrusal bazda gözlemlenen depolarizasyonun yalnızca rastgele dalgalanmalardan kaynaklanmadığını, aynı zamanda doğrusal polarizasyon derecesi düşerken bile bire yakın bir polarizasyon derecesi gösteren önemli bir dairesel polarizasyon bileşeni ile dinamik bir etkileşimden kaynaklandığını ortaya koymaktadır. Son olarak, bu temel bilgilerden yararlanarak, 2B malzeme tabanlı bir tek foton kaynağının, işlevsel bir kuantum anahtar dağıtımı sistemine ilk entegrasyonunu rapor ediyoruz. Karakterize edilmiş bir hBN kusur merkezi, oda sıcaklığında çalışan serbest uzay B92 protokolü uygulamasında kuantum ışık kaynağı olarak kullanılmış ve %8.95'lik bir kuantum bit hata oranı ile güvenli bir anahtar başarıyla oluşturulmuştur. Bu çalışma, sadece hBN tek foton yayıcılarının karmaşık fotofiziğine dair daha derin bir anlayış sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda pratik kuantum iletişim teknolojileri için sağlam ve ölçeklenebilir bir kaynak olarak uygunluklarını da doğrulamaktadır.The advancement of quantum technologies is critically dependent on the development of high-performance solid-state single-photon sources. Among emerging platforms, defects in hexagonal boron nitride (hBN) have garnered significant attention due to their bright and stable single-photon emission at room temperature. However, a comprehensive understanding of their polarization properties, which are crucial for encoding quantum information, has been limited by time-averaged measurement techniques that obscure dynamic effects. This thesis presents a multifaceted investigation into the nanosecond-scale polarization dynamics of single-photon emitters in hBN and demonstrates their successful application in quantum key distribution. First, we introduce and apply a time-resolved analysis of the linear polarization, revealing that the degree of linear polarization is not static but evolves significantly throughout the emission lifetime. We find that the most highly polarized photons are emitted within the first few nanoseconds of the decay process. To deconstruct this behavior, we then perform a complete time-resolved Stokes parameter analysis. This advanced method reveals that the observed depolarization in the linear basis is not solely due to random fluctuations but arises from a dynamic interplay with a significant circular polarization component, demonstrating a near-unity degree of polarization even when the degree of linear polarization is reduced. Finally, by harnessing these fundamental insights, we report the first integration of a 2D material-based single-photon source into a functional quantum key distribution system. A characterized hBN defect was used as the quantum light source in a free-space B92 protocol implementation at room temperature, successfully establishing a secure key with a quantum bit error rate of 8.95%. This work not only provides a deeper understanding of the complex photo-physics of hBN emitters but also confirms their viability as a robust and scalable resource for practical quantum communication technologies.