פוטונים בודדים הם בסיס מרכזי להרבה טכנולוגיות קוונטיות מתפתחות, אבל יצירת מקור הפוטון היחיד המושלם היא מאתגרת. זה נכון במיוחד כאשר מנסים לפתח מערכות קומפקטיות שיכולות לפעול מחוץ לסביבת המעבדה המבוקרת בקפידה ללא תשתית קירור תת-אפס מגושמת. מדענים באוסטרליה התמודדו כעת עם האתגר הזה על ידי פיתוח עיצוב מקור חדש שיכול לייצר יותר מ-10 מיליון פוטונים בודדים בשנייה תוך כדי עבודה בטמפרטורת החדר.
מקור מושלם של פוטון בודד יספק למשתמש בדיוק פוטון יחיד טהור אחד לפי דרישה. התקנים מהעולם האמיתי מציגים לעתים קרובות פשרה בין המאפיינים האידיאליים הללו המשתנה בהתאם לאפליקציה. בעבודה האחרונה, חוקרים בראשות איגור אהרונוביץ' מהאוניברסיטה לטכנולוגיה, סידני ביססו את מקור הפוטון הבודד שלהם על חומר גבישי דו-ממדי הנקרא בורון ניטריד משושה (hBN). המבנה האטומי של הגביש אינו מושלם, ואור ממקור עז כמו לייזר יכול לגרום לפגמים, או פגמים, לפלוט פוטונים בודדים אפילו בטמפרטורת החדר.
שיטת איסוף טובה יותר
אחד האתגרים בעת שימוש בחומרים אלו הוא לפתח שיטת איסוף שתוודא שהפוטונים שנוצרו אכן ניתנים לשימוש. אהרונוביץ' ועמיתיו התמודדו עם אתגר זה על ידי הפקדה ישירה של פתיתי חומר hBN על עדשת איסוף חצי כדורית קטנה, הידועה בשם עדשת טבילה מוצקה (SIL).
ל-SILs אלו קוטר של 1 מ"מ בלבד, מה שהופך את הטיפול בהם לאתגר ניסיוני מסוים. חמושים בפינצטה, החוקרים הניחו בקפידה את עדשת hBN המשולבת במערך מיקרוסקופ נייד בהתאמה אישית (ראה תמונה). מקור לייזר הממוקם בקפידה מלהיב את המדגם וה-SIL ממקד את הפוטונים הבודדים הנפלטים אל גלאי. על ידי שילוב החומר הדו-ממדי עם עדשה, החוקרים הדגימו שיפור של פי שישה ביעילות איסוף הפוטונים בהשוואה לשיטות קודמות. שיטות אחרות אלה מסתמכות גם על תהליכי הנדסה מורכבים בקנה מידה ננו, מה שהופך אותן לפחות מתאימות ליישומי תקשורת קוונטית יומיומיים בקנה מידה המוני.
החוקרים המשיכו והדגימו שהפוטונים הבודדים שהם מייצרים הם בטוהר מצוין. טוהר מתייחס כאן להסתברות לפליטת פוטון בודד ולא מרובים - מדד חשוב בהערכת האיכות של מקורות אלו. בדיקות ארוכות טווח הראו שהמערכת מייצרת פוטונים בודדים בטוהר גבוה בצורה יציבה, מה שמאשר עוד יותר את התאמתה לפריסה ביישומים כמו הפצת מפתח קוונטים (QKD). ביישום זה, מקורות פוטון בודדים טובים יותר יכולים לשפר את האבטחה של פרוטוקולי הצפנה המשמשים כדי לאפשר שידור מאובטח של מידע ללא אובדן אות או פגיעות לצותתים.
קצבי שידור גבוהים
ברגע שהם ידעו כמה פוטונים המערכת שלהם מייצרת בשנייה, החוקרים העריכו עד כמה זה יהיה יעיל בתרחיש QKD מעשי תוך שימוש בפרוטוקול QKD מאומץ נרחב המכונה BB84. הם מראים שמקור פוטון יחיד זה יכול לשמור על קצבי שידור גבוהים על פני שטח של כ-8 ק"מ ברדיוס, מה שיאפשר כיסוי QKD בקנה מידה עירוני. בשילוב עם העובדה שהמערכת פועלת בטמפרטורת החדר, הדבר מדגיש את המעשיות של המערכת עבור יישומי תקשורת קוונטית מאובטחת יומיומית.
המשך קריירה בתקשורת מדעית, מסחור גלאי פוטון בודד
הערה על הכיוון העתידי של העבודה, הלן זנג, אחד החוקרים שעובדים על הפרויקט, קובע, "אנו מוכנים להפנות את תשומת ליבנו לשילוב חומרים דו-ממדיים קוונטיים אלה ביישומים בעולם האמיתי שללא ספק יהיו להם השלכות מרחיקות לכת בתחום התקשורת הקוונטית."
מקור הפוטון היחיד החדש מתואר ב מכתבי אופטיקה.
