Τα μεμονωμένα φωτόνια αποτελούν βασικό θεμέλιο για πολλές αναδυόμενες κβαντικές τεχνολογίες, αλλά η δημιουργία της τέλειας πηγής ενός φωτονίου είναι πρόκληση. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα όταν προσπαθείτε να αναπτύξετε συμπαγή συστήματα που μπορούν να λειτουργούν έξω από το προσεκτικά ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον χωρίς ογκώδη υποδομή ψύξης κάτω από το μηδέν. Οι επιστήμονες στην Αυστραλία έχουν πλέον αντιμετωπίσει αυτήν την πρόκληση αναπτύσσοντας ένα νέο σχέδιο πηγής που μπορεί να παράγει περισσότερα από 10 εκατομμύρια μεμονωμένα φωτόνια ανά δευτερόλεπτο ενώ λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου.
Μια τέλεια πηγή ενός φωτονίου θα παρείχε στον χρήστη ακριβώς ένα καθαρό μόνο φωτόνιο κατά παραγγελία. Οι συσκευές του πραγματικού κόσμου συχνά παρουσιάζουν μια ανταλλαγή μεταξύ αυτών των ιδανικών χαρακτηριστικών που ποικίλλει ανάλογα με την εφαρμογή. Στην τελευταία εργασία, οι ερευνητές με επικεφαλής τον Ιγκόρ Αχαρόνοβιτς του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Σίδνεϋ βασίστηκε η πηγή ενός φωτονίου σε ένα δισδιάστατο κρυσταλλικό υλικό που ονομάζεται εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN). Η ατομική δομή του κρυστάλλου είναι ατελής και το φως από μια έντονη πηγή όπως ένα λέιζερ μπορεί να προκαλέσει αυτές τις ατέλειες ή ελαττώματα να εκπέμπουν μεμονωμένα φωτόνια ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου.
Καλύτερη μέθοδος συλλογής
Μία από τις προκλήσεις κατά τη χρήση αυτών των υλικών είναι η ανάπτυξη μιας μεθόδου συλλογής που διασφαλίζει ότι τα φωτόνια που παράγονται είναι πραγματικά χρησιμοποιήσιμα. Ο Aharonovich και οι συνεργάτες του αντιμετώπισαν αυτήν την πρόκληση με την απευθείας εναπόθεση νιφάδων του υλικού hBN σε έναν μικρό ημισφαιρικό φακό συλλογής, γνωστό ως στερεός φακός εμβάπτισης (SIL).
Αυτά τα SIL έχουν διάμετρο μόλις 1 mm, γεγονός που καθιστά τον χειρισμό τους μια ιδιαίτερη πειραματική πρόκληση. Οπλισμένοι με τσιμπιδάκια, οι ερευνητές τοποθέτησαν με κόπο τον ενσωματωμένο φακό hBN σε μια φορητή προσαρμοσμένη διάταξη μικροσκοπίου (βλ. εικόνα). Στη συνέχεια, μια προσεκτικά τοποθετημένη πηγή λέιζερ διεγείρει το δείγμα και το SIL εστιάζει τα εκπεμπόμενα μεμονωμένα φωτόνια σε έναν ανιχνευτή. Συνδυάζοντας το υλικό 2D με έναν φακό, οι ερευνητές έδειξαν εξαπλάσια βελτίωση στην απόδοση συλλογής φωτονίων σε σύγκριση με προηγούμενες μεθόδους. Αυτές οι άλλες μέθοδοι βασίζονται επίσης σε πολύπλοκες διαδικασίες μηχανικής νανοκλίμακας, γεγονός που τις καθιστά λιγότερο κατάλληλες για καθημερινές εφαρμογές κβαντικής επικοινωνίας μαζικής κλίμακας.
Οι ερευνητές συνέχισαν αποδεικνύοντας ότι τα μεμονωμένα φωτόνια που παράγουν είναι εξαιρετικής καθαρότητας. Η καθαρότητα εδώ αναφέρεται στην πιθανότητα εκπομπής ενός μόνο φωτονίου αντί πολλαπλών – μια σημαντική μέτρηση για την αξιολόγηση της ποιότητας αυτών των πηγών. Μακροπρόθεσμες δοκιμές έδειξαν ότι το σύστημα παράγει μεμονωμένα φωτόνια υψηλής καθαρότητας με σταθερό τρόπο, επιβεβαιώνοντας περαιτέρω την καταλληλότητά του για ανάπτυξη σε εφαρμογές όπως η διανομή κβαντικού κλειδιού (QKD). Σε αυτήν την εφαρμογή, καλύτερες πηγές ενός φωτονίου θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ασφάλεια των πρωτοκόλλων κρυπτογραφίας που χρησιμοποιούνται για να επιτρέψουν την ασφαλή μετάδοση πληροφοριών χωρίς απώλεια σήματος ή ευπάθεια σε κρυφακούς.
Υψηλά ποσοστά μετάδοσης
Μόλις γνώρισαν πόσα φωτόνια παράγει το σύστημά τους ανά δευτερόλεπτο, οι ερευνητές υπολόγισαν πόσο αποτελεσματικό θα ήταν σε ένα πρακτικό σενάριο QKD χρησιμοποιώντας ένα ευρέως διαδεδομένο πρωτόκολλο QKD γνωστό ως BB84. Δείχνουν ότι αυτή η πηγή ενός φωτονίου μπορεί να διατηρήσει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης σε μια περιοχή περίπου 8 km σε ακτίνα, κάτι που θα επέτρεπε την κάλυψη QKD σε κλίμακα πόλης. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι το σύστημα λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου, αυτό τονίζει την πρακτικότητα του συστήματος για καθημερινές ασφαλείς εφαρμογές κβαντικής επικοινωνίας.
Ακολουθώντας μια καριέρα στην επιστημονική επικοινωνία, εμπορευματοποιώντας ανιχνευτές ενός φωτονίου
Σχολιάζοντας τη μελλοντική κατεύθυνση της εργασίας, Helen Zeng, ένας από τους ερευνητές που εργάζονται στο έργο, δηλώνει, «Είμαστε έτοιμοι να στρέψουμε την προσοχή μας προς την ενσωμάτωση αυτών των κβαντικών 2D υλικών σε εφαρμογές του πραγματικού κόσμου, οι οποίες αναμφίβολα θα έχουν εκτεταμένες συνέπειες στον τομέα των κβαντικών επικοινωνιών».
Η νέα πηγή ενός φωτονίου περιγράφεται στο Οπτικά γράμματα.
