Foton tunggal adalah fondasi utama bagi banyak teknologi kuantum yang muncul, tetapi menciptakan sumber foton tunggal yang sempurna itu menantang. Hal ini terutama benar ketika mencoba mengembangkan sistem kompak yang dapat beroperasi di luar lingkungan lab yang dikontrol dengan hati-hati tanpa infrastruktur pendinginan di bawah nol yang besar. Para ilmuwan di Australia kini telah mengatasi tantangan ini dengan mengembangkan desain sumber baru yang dapat menghasilkan lebih dari 10 juta foton tunggal per detik saat beroperasi pada suhu kamar.
Sumber foton tunggal yang sempurna akan memberi pengguna tepat satu foton tunggal murni sesuai permintaan. Perangkat dunia nyata sering menampilkan trade-off antara karakteristik ideal ini yang bervariasi tergantung pada aplikasinya. Dalam karya terbarunya, para peneliti yang dipimpin oleh Igor Aharonovich dari University of Technology, Sydney mendasarkan sumber foton tunggal mereka pada bahan kristal 2D yang disebut heksagonal boron nitrida (hBN). Struktur atom kristal tidak sempurna, dan cahaya dari sumber yang kuat seperti laser dapat menyebabkan ketidaksempurnaan ini, atau cacat, untuk memancarkan foton tunggal bahkan pada suhu kamar.
Metode pengumpulan yang lebih baik
Salah satu tantangan saat menggunakan bahan ini adalah mengembangkan metode pengumpulan yang memastikan foton yang dihasilkan benar-benar dapat digunakan. Aharonovich dan rekan mengatasi tantangan ini dengan langsung menyimpan serpihan bahan hBN ke lensa koleksi hemispherical kecil, yang dikenal sebagai lensa imersi padat (SIL).
SIL ini memiliki diameter hanya 1 mm, yang membuat penanganannya menjadi tantangan eksperimental tertentu. Berbekal pinset, para peneliti dengan susah payah menempatkan lensa hBN terintegrasi ke dalam mikroskop portabel yang dibuat khusus (lihat gambar). Sumber laser yang ditempatkan dengan hati-hati kemudian membangkitkan sampel dan SIL memfokuskan foton tunggal yang dipancarkan ke detektor. Dengan menggabungkan bahan 2D dengan lensa, para peneliti menunjukkan peningkatan enam kali lipat dalam efisiensi pengumpulan foton dibandingkan dengan metode sebelumnya. Metode lain ini juga bergantung pada proses rekayasa skala nano yang kompleks, yang membuatnya kurang cocok untuk aplikasi komunikasi kuantum sehari-hari dalam skala besar.
Para peneliti melanjutkan untuk menunjukkan bahwa foton tunggal yang mereka hasilkan memiliki kemurnian yang sangat baik. Kemurnian di sini mengacu pada kemungkinan memancarkan satu foton daripada beberapa foton – metrik penting dalam menilai kualitas sumber-sumber ini. Pengujian jangka panjang menunjukkan bahwa sistem menghasilkan foton tunggal dengan kemurnian tinggi dengan cara yang stabil, yang selanjutnya menegaskan kesesuaiannya untuk penerapan dalam aplikasi seperti distribusi kunci kuantum (QKD). Dalam aplikasi ini, sumber foton tunggal yang lebih baik dapat meningkatkan keamanan protokol kriptografi yang digunakan untuk memungkinkan transmisi informasi yang aman tanpa kehilangan sinyal atau kerentanan terhadap penyadap.
Tingkat transmisi tinggi
Begitu mereka tahu berapa banyak foton yang dihasilkan sistem mereka per detik, para peneliti memperkirakan seberapa efektif itu dalam skenario QKD praktis menggunakan protokol QKD yang diadopsi secara luas yang dikenal sebagai BB84. Mereka menunjukkan bahwa sumber foton tunggal ini dapat mempertahankan tingkat transmisi yang tinggi di area radius sekitar 8 km, yang memungkinkan cakupan QKD dalam skala kota. Dikombinasikan dengan fakta bahwa sistem beroperasi pada suhu kamar, ini menyoroti kepraktisan sistem untuk aplikasi komunikasi kuantum aman sehari-hari.
Mengejar karir dalam komunikasi sains, mengkomersialkan detektor foton tunggal
Mengomentari arah pekerjaan di masa depan, Helen Zeng, salah satu peneliti yang mengerjakan proyek tersebut, menyatakan, “Kami siap mengalihkan perhatian kami untuk menggabungkan materi 2D kuantum ini ke dalam aplikasi dunia nyata yang tidak diragukan lagi akan memiliki konsekuensi luas di bidang komunikasi kuantum.”
Sumber foton tunggal baru dijelaskan dalam Surat Optik.
