Los fotones individuales son una base clave para muchas tecnologías cuánticas emergentes, pero crear la fuente de fotones individuales perfecta es un desafío. Esto es especialmente cierto cuando se trata de desarrollar sistemas compactos que puedan funcionar fuera del entorno de laboratorio cuidadosamente controlado sin una voluminosa infraestructura de refrigeración bajo cero. Los científicos en Australia ahora han abordado este desafío mediante el desarrollo de un nuevo diseño de fuente que puede producir más de 10 millones de fotones individuales por segundo mientras opera a temperatura ambiente.
Una fuente perfecta de un solo fotón proporcionaría al usuario exactamente un solo fotón puro bajo demanda. Los dispositivos del mundo real a menudo presentan una compensación entre estas características ideales que varía según la aplicación. En el último trabajo, investigadores dirigidos por Ígor Aharonovich de la Universidad de Tecnología de Sydney basó su fuente de fotón único en un material cristalino 2D llamado nitruro de boro hexagonal (hBN). La estructura atómica del cristal es imperfecta, y la luz de una fuente intensa como un láser puede causar que estas imperfecciones o defectos emitan fotones individuales incluso a temperatura ambiente.
Un mejor método de recolección
Uno de los desafíos al usar estos materiales es desarrollar un método de recolección que asegure que los fotones generados sean realmente utilizables. Aharonovich y sus colegas abordaron este desafío depositando directamente escamas del material hBN en una pequeña lente de recolección hemisférica, conocida como lente de inmersión sólida (SIL).
Estos SIL tienen un diámetro de solo 1 mm, lo que hace que su manejo sea un desafío experimental particular. Armados con pinzas, los investigadores colocaron minuciosamente la lente hBN integrada en una configuración de microscopio portátil hecha a medida (ver imagen). Luego, una fuente láser colocada cuidadosamente excita la muestra y el SIL enfoca los fotones individuales emitidos en un detector. Al combinar el material 2D con una lente, los investigadores demostraron una mejora de seis veces en la eficiencia de recolección de fotones en comparación con los métodos anteriores. Estos otros métodos también se basan en procesos de ingeniería complejos a nanoescala, lo que los hace menos adecuados para las aplicaciones de comunicación cuántica cotidianas a gran escala.
Los investigadores continuaron demostrando que los fotones individuales que producen son de una pureza excelente. La pureza aquí se refiere a la probabilidad de emitir un solo fotón en lugar de múltiples, una métrica importante para evaluar la calidad de estas fuentes. Las pruebas a largo plazo mostraron que el sistema genera fotones únicos de alta pureza de manera estable, lo que confirma aún más su idoneidad para el despliegue en aplicaciones como la distribución de clave cuántica (QKD). En esta aplicación, mejores fuentes de fotones individuales podrían mejorar la seguridad de los protocolos criptográficos utilizados para permitir la transmisión segura de información sin pérdida de señal o vulnerabilidad a los intrusos.
Altas tasas de transmisión
Una vez que supieron cuántos fotones produce su sistema por segundo, los investigadores estimaron cuán efectivo sería en un escenario práctico de QKD utilizando un protocolo QKD ampliamente adoptado conocido como BB84. Muestran que esta fuente de fotón único puede mantener altas tasas de transmisión en un área de alrededor de 8 km de radio, lo que permitiría una cobertura QKD a escala de toda la ciudad. Combinado con el hecho de que el sistema funciona a temperatura ambiente, esto destaca la practicidad del sistema para las aplicaciones de comunicación cuántica seguras cotidianas.
Siguiendo una carrera en comunicación científica, comercializando detectores de fotón único
Al comentar sobre la dirección futura del trabajo, helen zeng, uno de los investigadores que trabajan en el proyecto, afirma: "Estamos listos para centrar nuestra atención en la incorporación de estos materiales 2D cuánticos en aplicaciones del mundo real que, sin duda, tendrán consecuencias de gran alcance en el campo de las comunicaciones cuánticas".
La nueva fuente de un solo fotón se describe en Cartas ópticas.
