単一光子は、多くの新しい量子技術の重要な基盤ですが、完璧な単一光子源を作成することは困難です。 これは、かさばる氷点下の冷却インフラストラクチャを使用せずに、慎重に制御されたラボ環境の外で動作できるコンパクトなシステムを開発しようとする場合に特に当てはまります。 オーストラリアの科学者は、室温で動作しながら毎秒 10 万個を超える単一光子を生成できる新しい光源設計を開発することで、この課題に対処しました。
完全な単一光子源は、オンデマンドで正確に XNUMX つの純粋な単一光子をユーザーに提供します。 実際のデバイスでは、多くの場合、アプリケーションによって異なるこれらの理想的な特性の間のトレードオフが特徴です。 最新の研究では、 イゴール・アハロノビッチ シドニー工科大学の教授らは、単一光子源を六方晶窒化ホウ素 (hBN) と呼ばれる 2D 結晶材料に基づいています。 結晶の原子構造は不完全であり、レーザーなどの強力な光源からの光は、これらの不完全性または欠陥を室温でも単一光子を放出させる可能性があります。
より良い収集方法
これらの材料を使用する際の課題の XNUMX つは、生成された光子が実際に使用可能であることを確認する収集方法を開発することです。 Aharonovich らは、hBN 材料の薄片を、固浸レンズ (SIL) として知られる小さな半球状の集光レンズに直接堆積させることで、この課題に対処しました。
これらの SIL の直径はわずか 1 mm であり、その取り扱いは特に実験上の課題となります。 ピンセットで武装して、研究者は統合された hBN レンズを携帯用のカスタムメイドの顕微鏡セットアップに苦労して配置しました (画像を参照)。 次に、慎重に配置されたレーザー光源がサンプルを励起し、SIL が放出された単一光子を検出器に集束させます。 2D 材料をレンズと組み合わせることで、研究者は、以前の方法と比較して、光子収集効率が XNUMX 倍向上することを実証しました。 これらの他の方法も、複雑なナノスケールのエンジニアリングプロセスに依存しているため、大規模な日常の量子通信アプリケーションにはあまり適していません。
研究者たちは、彼らが生成する単一光子が優れた純度であることを実証しました。 ここでの純度とは、複数の光子ではなく単一の光子を放出する確率を指し、これらのソースの品質を評価する上で重要な指標です。 長期試験では、システムが安定した方法で高純度の単一光子を生成することが示され、量子鍵配送 (QKD) などのアプリケーションでの展開への適合性がさらに確認されました。 このアプリケーションでは、より優れた単一光子源が、信号損失や盗聴者に対する脆弱性なしに情報の安全な送信を可能にするために使用される暗号化プロトコルのセキュリティを向上させる可能性があります。
高い伝送速度
システムが 84 秒あたりに生成する光子の数がわかると、研究者は、広く採用されている BB8 として知られる QKD プロトコルを使用して、実際の QKD シナリオでどれだけ効果的かを推定しました。 彼らは、この単一光子源が半径約 XNUMX km の地域で高い伝送速度を維持できることを示しており、これにより、都市規模での QKD カバレッジが可能になります。 システムが室温で動作するという事実と相まって、これは日常の安全な量子通信アプリケーションに対するシステムの実用性を強調しています。
サイエンスコミュニケーションのキャリアを追求し、単一光子検出器を製品化
今後の作品の方向性についてコメントすると、 ヘレン・ゼンこのプロジェクトに取り組んでいる研究者の 2 人は、次のように述べています。
新しい単一光子源については、 光学レター.
