Az egyfotonok számos feltörekvő kvantumtechnológia kulcsfontosságú alapját képezik, de a tökéletes egyfotonforrás létrehozása kihívást jelent. Ez különösen igaz akkor, ha olyan kompakt rendszereket próbálunk kifejleszteni, amelyek a gondosan ellenőrzött laborkörnyezeten kívül is működhetnek terjedelmes mínusz hűtési infrastruktúra nélkül. Az ausztrál tudósok egy új forráskialakítás kifejlesztésével foglalkoztak ezzel a kihívással, amely másodpercenként több mint 10 millió egyetlen fotont képes előállítani szobahőmérsékleten történő működés közben.
Egy tökéletes egyfotonos forrás igény szerint pontosan egy tiszta egyetlen fotont biztosítana a felhasználónak. A valós eszközök gyakran kompromisszumot kínálnak ezen ideális jellemzők között, amely az alkalmazástól függően változik. A legújabb munkában a kutatók vezetésével Igor Aharonovics A Sydney-i Műszaki Egyetem kutatói egyfotonforrásukat egy hexagonális bór-nitridnek (hBN) nevezett 2D kristályos anyagra alapozták. A kristály atomi szerkezete tökéletlen, és egy intenzív forrásból, például lézerből származó fény ezeket a tökéletlenségeket vagy hibákat okozhatja egyetlen foton kibocsátásához még szobahőmérsékleten is.
Jobb gyűjtési módszer
Ezen anyagok használata során az egyik kihívás egy olyan gyűjtési módszer kidolgozása, amely biztosítja, hogy a keletkezett fotonok valóban használhatók legyenek. Aharonovich és munkatársai úgy kezelték ezt a kihívást, hogy a hBN-anyag pelyheit közvetlenül egy kis félgömb alakú gyűjtőlencsére helyezték fel, amelyet szilárd immerziós lencsének (SIL) neveznek.
Ezeknek a SIL-eknek az átmérője mindössze 1 mm, ami különleges kísérleti kihívássá teszi a kezelésüket. A kutatók csipesszel felfegyverkezve gondosan belehelyezték az integrált hBN-lencsét egy hordozható, egyedileg készített mikroszkópba (lásd a képet). Ezután egy gondosan elhelyezett lézerforrás gerjeszti a mintát, és a SIL a kibocsátott egyedi fotonokat egy detektorra fókuszálja. A 2D-s anyagot lencsével kombinálva a kutatók hatszoros javulást mutattak ki a fotongyűjtés hatékonyságában a korábbi módszerekhez képest. Ezek a többi módszerek is összetett nanoméretű mérnöki eljárásokra támaszkodnak, így kevésbé alkalmasak tömeges, mindennapi kvantumkommunikációs alkalmazásokra.
A kutatók bebizonyították, hogy az általuk termelt egyetlen fotonok tisztasága kiváló. A tisztaság itt egy foton kibocsátásának valószínűségére vonatkozik, nem pedig többre – ez egy fontos mérőszám e források minőségének értékelésében. A hosszú távú tesztek kimutatták, hogy a rendszer nagy tisztaságú egyedi fotonokat állít elő stabil módon, ami tovább igazolja, hogy alkalmas olyan alkalmazásokban való alkalmazásra, mint a kvantumkulcs-elosztás (QKD). Ebben az alkalmazásban a jobb egyfoton források javíthatják a titkosítási protokollok biztonságát, amelyek lehetővé teszik az információ biztonságos továbbítását jelvesztés vagy lehallgatókkal szembeni sebezhetőség nélkül.
Magas átviteli sebesség
Miután megtudták, hogy rendszerük hány fotont állít elő másodpercenként, a kutatók megbecsülték, hogy ez mennyire lenne hatékony egy gyakorlati QKD forgatókönyvben, a BB84 néven ismert, széles körben elfogadott QKD protokoll segítségével. Azt mutatják, hogy ez az egyfotonos forrás nagy átviteli sebességet képes fenntartani egy körülbelül 8 km-es sugarú területen, ami lehetővé tenné a QKD-lefedettséget városi léptékben. A rendszer szobahőmérsékleten működő ténnyel kombinálva ez kiemeli a rendszer praktikusságát a mindennapi biztonságos kvantumkommunikációs alkalmazásokhoz.
Tudományos kommunikációs pályafutás, egyfoton detektorok kereskedelmi forgalomba hozatala
A munka jövőbeli irányáról szólva, Helen Zeng, a projekten dolgozó egyik kutató kijelenti: „Készek vagyunk figyelmünket arra fordítani, hogy ezeket a kvantum 2D anyagokat beépítsük a valós alkalmazásokba, aminek kétségtelenül messzemenő következményei lesznek a kvantumkommunikáció területén.”
Az új egyfoton forrás leírása a Optikai levelek.
