I singoli fotoni sono una base fondamentale per molte tecnologie quantistiche emergenti, ma creare la perfetta sorgente di un singolo fotone è impegnativo. Ciò è particolarmente vero quando si cerca di sviluppare sistemi compatti in grado di operare al di fuori dell'ambiente di laboratorio attentamente controllato senza ingombranti infrastrutture di raffreddamento sotto zero. Gli scienziati australiani hanno ora affrontato questa sfida sviluppando un nuovo progetto di sorgente in grado di produrre più di 10 milioni di singoli fotoni al secondo operando a temperatura ambiente.
Una perfetta sorgente di un singolo fotone fornirebbe all'utente esattamente un singolo fotone puro su richiesta. I dispositivi del mondo reale spesso presentano un compromesso tra queste caratteristiche ideali che varia a seconda dell'applicazione. Nell'ultimo lavoro, i ricercatori guidati da Igor Aharonovich della University of Technology di Sydney ha basato la propria sorgente di fotoni singoli su un materiale cristallino 2D chiamato nitruro di boro esagonale (hBN). La struttura atomica del cristallo è imperfetta e la luce proveniente da una sorgente intensa come un laser può far sì che queste imperfezioni, o difetti, emettano singoli fotoni anche a temperatura ambiente.
Un metodo di raccolta migliore
Una delle sfide quando si utilizzano questi materiali è sviluppare un metodo di raccolta che assicuri che i fotoni generati siano effettivamente utilizzabili. Aharonovich e colleghi hanno affrontato questa sfida depositando direttamente le scaglie del materiale hBN su una piccola lente di raccolta emisferica, nota come lente a immersione solida (SIL).
Questi SIL hanno un diametro di appena 1 mm, il che rende la loro gestione una particolare sfida sperimentale. Armati di pinzette, i ricercatori hanno posizionato scrupolosamente l'obiettivo hBN integrato in un microscopio portatile su misura (vedi immagine). Una sorgente laser accuratamente posizionata eccita quindi il campione e il SIL concentra i singoli fotoni emessi su un rivelatore. Combinando il materiale 2D con una lente, i ricercatori hanno dimostrato un miglioramento di sei volte nell'efficienza della raccolta di fotoni rispetto ai metodi precedenti. Questi altri metodi si basano anche su complessi processi di ingegneria su nanoscala, il che li rende meno adatti alle applicazioni di comunicazione quantistica quotidiana su larga scala.
I ricercatori hanno poi dimostrato che i singoli fotoni che producono sono di eccellente purezza. La purezza qui si riferisce alla probabilità di emettere un singolo fotone anziché più fotone, una metrica importante per valutare la qualità di queste sorgenti. Test a lungo termine hanno mostrato che il sistema genera fotoni singoli di elevata purezza in modo stabile, confermando ulteriormente la sua idoneità all'impiego in applicazioni come la distribuzione di chiavi quantistiche (QKD). In questa applicazione, migliori sorgenti a fotone singolo potrebbero migliorare la sicurezza dei protocolli di crittografia utilizzati per consentire la trasmissione sicura delle informazioni senza perdita di segnale o vulnerabilità agli intercettatori.
Elevate velocità di trasmissione
Una volta che hanno saputo quanti fotoni produce il loro sistema al secondo, i ricercatori hanno stimato quanto sarebbe efficace in uno scenario pratico di QKD utilizzando un protocollo QKD ampiamente adottato noto come BB84. Dimostrano che questa sorgente di un singolo fotone può mantenere elevate velocità di trasmissione su un'area di circa 8 km di raggio, il che consentirebbe la copertura QKD su scala cittadina. In combinazione con il fatto che il sistema funziona a temperatura ambiente, ciò evidenzia la praticità del sistema per le applicazioni quotidiane di comunicazione quantistica sicura.
Perseguire una carriera nella comunicazione scientifica, commercializzando rivelatori di fotoni singoli
Commentando la direzione futura del lavoro, Elena Zeng, uno dei ricercatori che lavorano al progetto, afferma: "Siamo pronti a rivolgere la nostra attenzione all'incorporazione di questi materiali 2D quantistici in applicazioni del mondo reale che avranno senza dubbio conseguenze di vasta portata nel campo delle comunicazioni quantistiche".
La nuova sorgente a fotone singolo è descritta in Lettere di ottica.
