단일 광자는 많은 새로운 양자 기술의 핵심 기반이지만 완벽한 단일 광자 소스를 만드는 것은 어렵습니다. 이는 부피가 큰 영하 냉각 인프라 없이 주의 깊게 통제된 실험실 환경 외부에서 작동할 수 있는 소형 시스템을 개발하려고 할 때 특히 그렇습니다. 호주의 과학자들은 이제 실온에서 작동하는 동안 초당 10천만 개 이상의 단일 광자를 생성할 수 있는 새로운 소스 디자인을 개발하여 이 문제를 해결했습니다.
완벽한 단일 광자 소스는 사용자에게 요청 시 정확히 하나의 순수한 단일 광자를 제공합니다. 실제 장치는 종종 애플리케이션에 따라 달라지는 이러한 이상적인 특성 사이의 절충을 특징으로 합니다. 최근 연구에서 연구원들이 이끄는 이고르 아하로노비치 시드니 공과대학(University of Technology)의 연구진은 단일 광자 소스를 육방정계 질화붕소(hBN)라고 하는 2D 결정질 재료에 기반을 두었습니다. 결정의 원자 구조는 불완전하며 레이저와 같은 강렬한 광원에서 나오는 빛은 이러한 불완전성 또는 결함으로 인해 실온에서도 단일 광자를 방출할 수 있습니다.
더 나은 수집 방법
이러한 재료를 사용할 때의 과제 중 하나는 생성된 광자를 실제로 사용할 수 있는지 확인하는 수집 방법을 개발하는 것입니다. Aharonovich와 동료들은 고체 침지 렌즈(SIL)로 알려진 작은 반구형 수집 렌즈에 hBN 물질 조각을 직접 증착하여 이 문제를 해결했습니다.
이러한 SIL은 직경이 1mm에 불과하여 특정 실험 과제를 처리해야 합니다. 핀셋으로 무장한 연구원들은 통합 hBN 렌즈를 휴대용 맞춤형 현미경 장치에 공들여 배치했습니다(이미지 참조). 그런 다음 주의 깊게 배치된 레이저 소스가 샘플을 여기시키고 SIL이 방출된 단일 광자를 검출기에 집중시킵니다. 2D 재료를 렌즈와 결합함으로써 연구자들은 이전 방법에 비해 광자 수집 효율이 XNUMX배 향상됨을 입증했습니다. 이러한 다른 방법은 복잡한 나노 규모 엔지니어링 프로세스에 의존하기 때문에 일상적인 대량 양자 통신 응용 프로그램에 적합하지 않습니다.
연구원들은 계속해서 그들이 생산하는 단일 광자가 우수한 순도임을 입증했습니다. 여기서 순도는 여러 광자가 아닌 단일 광자를 방출할 확률을 의미하며 이러한 소스의 품질을 평가하는 데 중요한 척도입니다. 장기 테스트를 통해 시스템이 안정적인 방식으로 고순도 단일 광자를 생성하는 것으로 나타났으며, 이는 양자 키 분배(QKD)와 같은 애플리케이션에 배포하기에 적합함을 더욱 확인시켜줍니다. 이 응용 프로그램에서 더 나은 단일 광자 소스는 신호 손실이나 도청자에 대한 취약성 없이 정보의 안전한 전송을 가능하게 하는 데 사용되는 암호화 프로토콜의 보안을 향상시킬 수 있습니다.
높은 전송 속도
연구자들은 시스템이 초당 얼마나 많은 광자를 생산하는지 알게 된 후 BB84로 알려진 널리 채택된 QKD 프로토콜을 사용하여 실제 QKD 시나리오에서 얼마나 효과적인지 추정했습니다. 그들은 이 단일 광자 소스가 반경 약 8km 영역에서 높은 전송 속도를 유지할 수 있음을 보여주므로 도시 전체에서 QKD 범위를 허용할 수 있습니다. 시스템이 실온에서 작동한다는 사실과 함께 이것은 일상적인 보안 양자 통신 애플리케이션을 위한 시스템의 실용성을 강조합니다.
과학커뮤니케이션 커리어 추구, 단광자 검출기 상용화
앞으로의 작업 방향에 대해 말씀드리면, 헬렌 쩡, 프로젝트에 참여하는 연구원 중 한 명은 "양자 통신 분야에서 의심할 여지 없이 광범위한 결과를 가져올 실제 응용 프로그램에 이러한 양자 2D 재료를 통합하는 데 관심을 돌릴 준비가 되어 있습니다."라고 말했습니다.
새로운 단일 광자 소스는 광학 편지.
