تُعد الفوتونات المنفردة أساسًا رئيسيًا للعديد من تقنيات الكم الناشئة ، ولكن إنشاء مصدر مثالي للفوتون الفردي يمثل تحديًا. هذا صحيح بشكل خاص عند محاولة تطوير أنظمة مدمجة يمكن أن تعمل خارج بيئة المختبر التي يتم التحكم فيها بعناية بدون بنية تحتية ضخمة للتبريد تحت الصفر. لقد عالج العلماء في أستراليا الآن هذا التحدي من خلال تطوير تصميم مصدر جديد يمكنه إنتاج أكثر من 10 ملايين فوتون فردي في الثانية أثناء العمل في درجة حرارة الغرفة.
مصدر مثالي لفوتون واحد من شأنه أن يزود المستخدم بفوتون واحد فقط نقي عند الطلب. غالبًا ما تتميز أجهزة العالم الحقيقي بمقايضة بين هذه الخصائص المثالية التي تختلف اعتمادًا على التطبيق. في أحدث عمل الباحثين بقيادة إيغور أهارونوفيتش من جامعة التكنولوجيا بسيدني ، اعتمد مصدرهم أحادي الفوتون على مادة بلورية ثنائية الأبعاد تسمى نيتريد البورون السداسي (hBN). إن التركيب الذري للبلورة غير كامل ، ويمكن للضوء الصادر من مصدر مكثف مثل الليزر أن يتسبب في إطلاق هذه العيوب أو العيوب فوتونات مفردة حتى في درجة حرارة الغرفة.
طريقة جمع أفضل
يتمثل أحد التحديات عند استخدام هذه المواد في تطوير طريقة تجميع تضمن أن الفوتونات المتولدة قابلة للاستخدام بالفعل. عالج أهارونوفيتش وزملاؤه هذا التحدي عن طريق وضع رقائق من مادة hBN مباشرة على عدسة تجميع نصف كروية صغيرة ، تُعرف باسم عدسة الغمر الصلبة (SIL).
يبلغ قطر SILs 1 مم فقط ، مما يجعل التعامل معها تحديًا تجريبيًا خاصًا. مسلحين بالملاقط ، وضع الباحثون بشق الأنفس عدسة hBN المدمجة في مجموعة مجهر محمول مصنوع خصيصًا (انظر الصورة). ثم يقوم مصدر ليزر تم وضعه بعناية بإثارة العينة وتقوم SIL بتركيز الفوتونات المفردة المنبعثة على الكاشف. من خلال الجمع بين المادة ثنائية الأبعاد والعدسة ، أظهر الباحثون تحسنًا ستة أضعاف في كفاءة جمع الفوتون مقارنة بالطرق السابقة. تعتمد هذه الأساليب الأخرى أيضًا على العمليات الهندسية المعقدة النانوية ، مما يجعلها أقل ملاءمة لتطبيقات الاتصالات الكمومية اليومية على نطاق واسع.
واصل الباحثون إثبات أن الفوتونات المفردة التي ينتجونها ذات نقاء ممتاز. تشير النقاء هنا إلى احتمال انبعاث فوتون واحد بدلاً من عدة فوتونات - وهو مقياس مهم في تقييم جودة هذه المصادر. أظهرت الاختبارات طويلة المدى أن النظام يولد فوتونات مفردة عالية النقاء بطريقة مستقرة ، مما يؤكد أيضًا ملاءمته للنشر في تطبيقات مثل توزيع المفاتيح الكمومية (QKD). في هذا التطبيق ، يمكن لمصادر الفوتون الفردي الأفضل تحسين أمان بروتوكولات التشفير المستخدمة لتمكين النقل الآمن للمعلومات دون فقدان الإشارة أو ضعف المتصصرين.
معدلات انتقال عالية
بمجرد معرفة عدد الفوتونات التي ينتجها نظامهم في الثانية ، قدر الباحثون مدى فعاليتها في سيناريو QKD العملي باستخدام بروتوكول QKD المعتمد على نطاق واسع والمعروف باسم BB84. لقد أظهروا أن هذا المصدر أحادي الفوتون يمكن أن يحافظ على معدلات إرسال عالية على مساحة حوالي 8 كيلومترات في دائرة نصف قطرها ، مما سيسمح بتغطية QKD على نطاق المدينة. إلى جانب حقيقة أن النظام يعمل في درجة حرارة الغرفة ، فإن هذا يسلط الضوء على التطبيق العملي للنظام لتطبيقات الاتصالات الكمومية الآمنة اليومية.
ممارسة مهنة في مجال الاتصال العلمي ، وتسويق أجهزة الكشف عن الفوتون الواحد
وتعليقا على الاتجاه المستقبلي للعمل ، هيلين تسنغيقول أحد الباحثين العاملين في المشروع ، "نحن على استعداد لتحويل انتباهنا نحو دمج هذه المواد الكمومية ثنائية الأبعاد في تطبيقات العالم الحقيقي والتي سيكون لها بلا شك عواقب بعيدة المدى في مجال الاتصالات الكمومية."
تم وصف مصدر الفوتون الأحادي الجديد في رسائل البصريات.
