Einzelne Photonen sind eine wichtige Grundlage für viele neue Quantentechnologien, aber die Schaffung der perfekten Einzelphotonenquelle ist eine Herausforderung. Dies gilt insbesondere, wenn Sie versuchen, kompakte Systeme zu entwickeln, die außerhalb der sorgfältig kontrollierten Laborumgebung ohne sperrige Kühlinfrastruktur bei Minusgraden betrieben werden können. Wissenschaftler in Australien haben sich dieser Herausforderung nun gestellt, indem sie ein neues Quellendesign entwickelt haben, das bei Raumtemperatur mehr als 10 Millionen einzelne Photonen pro Sekunde erzeugen kann.
Eine perfekte Einzelphotonenquelle würde dem Anwender auf Abruf genau ein reines Einzelphoton liefern. Reale Geräte weisen häufig einen Kompromiss zwischen diesen idealen Eigenschaften auf, der je nach Anwendung variiert. In der neuesten Arbeit führten Forscher durch Igor Aharonowitsch der University of Technology, Sydney, basierten ihre Einzelphotonenquelle auf einem 2D-kristallinen Material namens hexagonales Bornitrid (hBN). Die atomare Struktur des Kristalls ist unvollkommen, und Licht von einer intensiven Quelle wie einem Laser kann dazu führen, dass diese Unvollkommenheiten oder Defekte selbst bei Raumtemperatur einzelne Photonen emittieren.
Eine bessere Sammelmethode
Eine der Herausforderungen bei der Verwendung dieser Materialien besteht darin, eine Sammelmethode zu entwickeln, die sicherstellt, dass die erzeugten Photonen tatsächlich nutzbar sind. Aharonovich und Kollegen gingen diese Herausforderung an, indem sie Flocken des hBN-Materials direkt auf eine kleine halbkugelförmige Sammellinse aufbrachten, die als feste Immersionslinse (SIL) bekannt ist.
Diese SILs haben einen Durchmesser von nur 1 mm, was ihre Handhabung zu einer besonderen experimentellen Herausforderung macht. Bewaffnet mit einer Pinzette platzierten die Forscher die integrierte hBN-Linse sorgfältig in einem tragbaren, maßgeschneiderten Mikroskopaufbau (siehe Bild). Eine sorgfältig positionierte Laserquelle regt dann die Probe an und die SIL fokussiert die emittierten einzelnen Photonen auf einen Detektor. Durch die Kombination des 2D-Materials mit einer Linse zeigten die Forscher eine sechsfache Verbesserung der Photonensammeleffizienz im Vergleich zu früheren Methoden. Diese anderen Methoden beruhen auch auf komplexen technischen Prozessen im Nanomaßstab, was sie für alltägliche Quantenkommunikationsanwendungen im Massenmaßstab weniger geeignet macht.
Die Forscher wiesen weiter nach, dass die von ihnen erzeugten einzelnen Photonen von ausgezeichneter Reinheit sind. Reinheit bezieht sich hier auf die Wahrscheinlichkeit, ein einzelnes Photon statt mehrerer zu emittieren – eine wichtige Metrik zur Beurteilung der Qualität dieser Quellen. Langzeittests zeigten, dass das System hochreine Einzelphotonen auf stabile Weise erzeugt, was seine Eignung für den Einsatz in Anwendungen wie der Quantenschlüsselverteilung (QKD) weiter bestätigt. In dieser Anwendung könnten bessere Einzelphotonenquellen die Sicherheit von Kryptographieprotokollen verbessern, die verwendet werden, um die sichere Übertragung von Informationen ohne Signalverlust oder Anfälligkeit für Lauscher zu ermöglichen.
Hohe Übertragungsraten
Nachdem sie wussten, wie viele Photonen ihr System pro Sekunde produziert, schätzten die Forscher, wie effektiv es in einem praktischen QKD-Szenario sein würde, indem sie ein weit verbreitetes QKD-Protokoll namens BB84 verwendeten. Sie zeigen, dass diese Einzelphotonenquelle hohe Übertragungsraten über ein Gebiet mit einem Radius von etwa 8 km aufrechterhalten kann, was eine QKD-Abdeckung im gesamten Stadtbereich ermöglichen würde. In Kombination mit der Tatsache, dass das System bei Raumtemperatur arbeitet, unterstreicht dies die Praktikabilität des Systems für alltägliche sichere Quantenkommunikationsanwendungen.
Karriere in der Wissenschaftskommunikation, Kommerzialisierung von Einzelphotonendetektoren
Kommentar zur zukünftigen Ausrichtung der Arbeit, Helen Zeng, einer der an dem Projekt beteiligten Forscher, erklärt: „Wir sind bereit, unsere Aufmerksamkeit darauf zu richten, diese Quanten-2D-Materialien in reale Anwendungen zu integrieren, was zweifellos weitreichende Konsequenzen auf dem Gebiet der Quantenkommunikation haben wird.“
Die neue Einzelphotonenquelle ist in beschrieben Optikbuchstaben.
