Les photons uniques sont une base essentielle pour de nombreuses technologies quantiques émergentes, mais la création de la source parfaite de photons uniques est un défi. Cela est particulièrement vrai lorsque vous essayez de développer des systèmes compacts qui peuvent fonctionner en dehors de l'environnement de laboratoire soigneusement contrôlé sans infrastructure de refroidissement encombrante en dessous de zéro. Des scientifiques australiens ont maintenant relevé ce défi en développant une nouvelle conception de source capable de produire plus de 10 millions de photons uniques par seconde tout en fonctionnant à température ambiante.
Une source de photon unique parfaite fournirait à l'utilisateur exactement un seul photon pur à la demande. Les appareils du monde réel présentent souvent un compromis entre ces caractéristiques idéales qui varie en fonction de l'application. Dans les derniers travaux, des chercheurs dirigés par Igor Aharonovitch de l'Université de technologie de Sydney ont basé leur source de photons uniques sur un matériau cristallin 2D appelé nitrure de bore hexagonal (hBN). La structure atomique du cristal est imparfaite et la lumière d'une source intense telle qu'un laser peut provoquer l'émission de photons uniques par ces imperfections, ou défauts, même à température ambiante.
Une meilleure méthode de collecte
L'un des défis lors de l'utilisation de ces matériaux est de développer une méthode de collecte qui garantit que les photons générés sont réellement utilisables. Aharonovich et ses collègues ont relevé ce défi en déposant directement des flocons de matériau hBN sur une petite lentille de collecte hémisphérique, connue sous le nom de lentille à immersion solide (SIL).
Ces SIL ont un diamètre de seulement 1 mm, ce qui fait de leur manipulation un défi expérimental particulier. Armés de pincettes, les chercheurs ont minutieusement placé la lentille hBN intégrée dans une configuration de microscope portable sur mesure (voir image). Une source laser soigneusement positionnée excite ensuite l'échantillon et le SIL focalise les photons uniques émis sur un détecteur. En combinant le matériau 2D avec une lentille, les chercheurs ont démontré une amélioration par six de l'efficacité de la collecte de photons par rapport aux méthodes précédentes. Ces autres méthodes reposent également sur des processus d'ingénierie complexes à l'échelle nanométrique, ce qui les rend moins adaptées aux applications de communication quantique quotidiennes à grande échelle.
Les chercheurs ont ensuite démontré que les photons uniques qu'ils produisent sont d'une excellente pureté. La pureté fait ici référence à la probabilité d'émettre un seul photon plutôt que plusieurs - une mesure importante pour évaluer la qualité de ces sources. Des tests à long terme ont montré que le système génère des photons uniques de haute pureté de manière stable, confirmant ainsi son aptitude à être déployé dans des applications telles que la distribution de clé quantique (QKD). Dans cette application, de meilleures sources de photons uniques pourraient améliorer la sécurité des protocoles de cryptographie utilisés pour permettre la transmission sécurisée d'informations sans perte de signal ni vulnérabilité aux écoutes clandestines.
Taux de transmission élevés
Une fois qu'ils ont su combien de photons leur système produit par seconde, les chercheurs ont estimé son efficacité dans un scénario QKD pratique en utilisant un protocole QKD largement adopté connu sous le nom de BB84. Ils montrent que cette source à photon unique peut maintenir des taux de transmission élevés sur une zone d'environ 8 km de rayon, ce qui permettrait une couverture QKD à l'échelle de la ville. Combiné au fait que le système fonctionne à température ambiante, cela met en évidence le caractère pratique du système pour les applications quotidiennes de communication quantique sécurisée.
Poursuivre une carrière dans la communication scientifique, commercialiser des détecteurs à photon unique
Commentant l'orientation future des travaux, Hélène Zeng, l'un des chercheurs travaillant sur le projet, déclare : « Nous sommes prêts à tourner notre attention vers l'intégration de ces matériaux 2D quantiques dans des applications réelles qui auront sans aucun doute des conséquences considérables dans le domaine des communications quantiques.
La nouvelle source de photons uniques est décrite dans Lettres d'optique.
