فوتون‌های منفرد پایه‌ای کلیدی برای بسیاری از فناوری‌های کوانتومی در حال ظهور هستند، اما ایجاد منبع کامل تک فوتونی چالش برانگیز است. این امر به ویژه در هنگام تلاش برای توسعه سیستم‌های فشرده که می‌توانند خارج از محیط آزمایشگاهی با دقت کنترل شده بدون زیرساخت خنک‌کننده حجیم عمل کنند، صادق است. اکنون دانشمندان استرالیایی با توسعه یک طرح منبع جدید که می تواند بیش از 10 میلیون تک فوتون در ثانیه را در حالی که در دمای اتاق کار می کند تولید کند، به این چالش پرداخته اند.
یک منبع کامل تک فوتونی دقیقاً یک فوتون منفرد خالص را در صورت تقاضا در اختیار کاربر قرار می دهد. دستگاه های دنیای واقعی اغلب دارای یک مبادله بین این ویژگی های ایده آل هستند که بسته به کاربرد متفاوت است. در آخرین کار، محققان به رهبری ایگور آهارونویچ از دانشگاه فناوری سیدنی منبع تک فوتونی خود را بر روی یک ماده کریستالی دوبعدی به نام نیترید بور شش ضلعی (hBN) استوار کرد. ساختار اتمی کریستال ناقص است و نور ناشی از یک منبع شدید مانند لیزر می‌تواند باعث شود که این نقص‌ها یا نقص‌ها حتی در دمای اتاق فوتون‌های منفرد را ساطع کنند.
روش جمع آوری بهتر
یکی از چالش‌های موجود در هنگام استفاده از این مواد، ایجاد یک روش جمع‌آوری است که مطمئن شود فوتون‌های تولید شده واقعا قابل استفاده هستند. آهارونوویچ و همکارانش این چالش را با قرار دادن مستقیم تکه‌های ماده hBN روی یک لنز جمع‌آوری نیمکره‌ای کوچک، که به عنوان لنز غوطه‌وری جامد (SIL) شناخته می‌شود، حل کردند.
این SIL ها فقط 1 میلی متر قطر دارند که مدیریت آنها را به یک چالش آزمایشی خاص تبدیل می کند. محققان با استفاده از موچین، لنز hBN یکپارچه را در یک میکروسکوپ سفارشی قابل حمل قرار دادند (تصویر را ببینید). سپس یک منبع لیزری که به دقت قرار داده شده است، نمونه را تحریک می کند و SIL تک فوتون های ساطع شده را روی یک آشکارساز متمرکز می کند. با ترکیب مواد دو بعدی با یک لنز، محققان بهبود شش برابری را در کارایی جمع‌آوری فوتون در مقایسه با روش‌های قبلی نشان دادند. این روش‌های دیگر نیز بر فرآیندهای مهندسی نانومقیاس پیچیده متکی هستند که آنها را برای کاربردهای ارتباط کوانتومی روزمره در مقیاس انبوه کمتر مناسب می‌سازد.
محققان در ادامه نشان دادند که تک فوتون هایی که تولید می کنند دارای خلوص عالی هستند. خلوص در اینجا به احتمال انتشار یک فوتون منفرد به جای چندین فوتون اشاره دارد - یک معیار مهم در ارزیابی کیفیت این منابع. آزمایش‌های طولانی‌مدت نشان داد که این سیستم فوتون‌های منفرد با خلوص بالا را به روشی پایدار تولید می‌کند، که بیشتر مناسب بودن آن برای استقرار در کاربردهایی مانند توزیع کلید کوانتومی (QKD) را تأیید می‌کند. در این برنامه، منابع تک فوتون بهتر می‌توانند امنیت پروتکل‌های رمزنگاری مورد استفاده را برای انتقال امن اطلاعات بدون از دست دادن سیگنال یا آسیب‌پذیری در برابر استراق سمع، بهبود بخشند.
نرخ انتقال بالا
هنگامی که آنها فهمیدند سیستم آنها در هر ثانیه چند فوتون تولید می کند، محققان با استفاده از یک پروتکل QKD که به طور گسترده پذیرفته شده به نام BB84 شناخته می شود، تخمین زدند که چقدر در یک سناریوی QKD عملی موثر است. آنها نشان می‌دهند که این منبع تک فوتونی می‌تواند نرخ انتقال بالایی را در منطقه‌ای به شعاع ۸ کیلومتری حفظ کند، که امکان پوشش QKD را در مقیاس شهر فراهم می‌کند. همراه با این واقعیت که سیستم در دمای اتاق کار می کند، این امر کاربردی بودن سیستم را برای کاربردهای ارتباط کوانتومی ایمن روزمره برجسته می کند.
دنبال کردن حرفه ای در ارتباطات علمی، تجاری سازی آشکارسازهای تک فوتون
اظهار نظر در مورد جهت آینده کار، هلن زنگیکی از محققانی که روی این پروژه کار می‌کند، می‌گوید: «ما آماده‌ایم توجه خود را به سمت ترکیب این مواد کوانتومی دوبعدی در برنامه‌های کاربردی دنیای واقعی معطوف کنیم که بدون شک پیامدهای گسترده‌ای در زمینه ارتباطات کوانتومی خواهد داشت.»
منبع تک فوتون جدید در شرح داده شده است نامه های اپتیک.
