Enkele fotonen vormen een belangrijke basis voor veel opkomende kwantumtechnologieën, maar het creëren van de perfecte bron van één foton is een uitdaging. Dit is met name het geval bij het ontwikkelen van compacte systemen die buiten de zorgvuldig gecontroleerde laboratoriumomgeving kunnen werken zonder omvangrijke sub-zero koelinfrastructuur. Wetenschappers in Australië hebben deze uitdaging nu aangepakt door een nieuw bronontwerp te ontwikkelen dat meer dan 10 miljoen enkele fotonen per seconde kan produceren bij kamertemperatuur.
Een perfecte enkelvoudige fotonenbron zou de gebruiker precies één zuiver enkelvoudig foton op verzoek leveren. Apparaten uit de echte wereld hebben vaak een wisselwerking tussen deze ideale kenmerken die varieert afhankelijk van de toepassing. In het laatste werk, onderzoekers onder leiding van Igor Aharonovitsj van de University of Technology, Sydney baseerde hun single-photon source op een 2D kristallijn materiaal genaamd hexagonaal boornitride (hBN). De atomaire structuur van het kristal is onvolmaakt en licht van een intense bron zoals een laser kan ervoor zorgen dat deze onvolkomenheden of defecten zelfs bij kamertemperatuur enkele fotonen uitzenden.
Een betere verzamelmethode
Een van de uitdagingen bij het gebruik van deze materialen is het ontwikkelen van een verzamelmethode die ervoor zorgt dat de gegenereerde fotonen daadwerkelijk bruikbaar zijn. Aharonovich en collega's pakten deze uitdaging aan door vlokken van het hBN-materiaal rechtstreeks op een kleine hemisferische verzamellens te deponeren, bekend als een vaste immersielens (SIL).
Deze SIL's hebben een diameter van slechts 1 mm, wat het hanteren ervan een bijzondere experimentele uitdaging maakt. Gewapend met een pincet plaatsten de onderzoekers de geïntegreerde hBN-lens nauwgezet in een draagbare, op maat gemaakte microscoopopstelling (zie afbeelding). Een zorgvuldig gepositioneerde laserbron exciteert vervolgens het monster en de SIL focust de uitgezonden afzonderlijke fotonen op een detector. Door het 2D-materiaal te combineren met een lens, toonden de onderzoekers een zesvoudige verbetering in de efficiëntie van het verzamelen van fotonen in vergelijking met eerdere methoden. Deze andere methoden zijn ook afhankelijk van complexe technische processen op nanoschaal, waardoor ze minder geschikt zijn voor grootschalige alledaagse kwantumcommunicatietoepassingen.
De onderzoekers toonden vervolgens aan dat de enkele fotonen die ze produceren van een uitstekende zuiverheid zijn. Zuiverheid verwijst hier naar de waarschijnlijkheid van het uitzenden van een enkel foton in plaats van meerdere - een belangrijke maatstaf bij het beoordelen van de kwaliteit van deze bronnen. Langdurige tests toonden aan dat het systeem op een stabiele manier zeer zuivere enkelvoudige fotonen genereert, wat de geschiktheid voor inzet in toepassingen zoals Quantum Key Distribution (QKD) verder bevestigt. In deze toepassing zouden betere single-photon-bronnen de beveiliging kunnen verbeteren van cryptografieprotocollen die worden gebruikt om de veilige overdracht van informatie mogelijk te maken zonder signaalverlies of kwetsbaarheid voor afluisteraars.
Hoge transmissiesnelheden
Toen ze eenmaal wisten hoeveel fotonen hun systeem per seconde produceert, schatten de onderzoekers hoe effectief het zou zijn in een praktisch QKD-scenario met behulp van een algemeen aanvaard QKD-protocol dat bekend staat als BB84. Ze laten zien dat deze bron met één foton hoge transmissiesnelheden kan behouden over een gebied met een straal van ongeveer 8 km, wat QKD-dekking op stadsbrede schaal mogelijk zou maken. Gecombineerd met het feit dat het systeem op kamertemperatuur werkt, benadrukt dit de bruikbaarheid van het systeem voor alledaagse veilige kwantumcommunicatietoepassingen.
Een carrière in wetenschapscommunicatie nastreven, single-photon detectoren op de markt brengen
Commentaar op de toekomstige richting van het werk, Helen Zeng, zegt een van de onderzoekers die aan het project werkt: "We zijn klaar om onze aandacht te richten op het integreren van deze kwantum 2D-materialen in real-world toepassingen die ongetwijfeld verstrekkende gevolgen zullen hebben op het gebied van kwantumcommunicatie."
De nieuwe single-foton bron wordt beschreven in Optica Letters.
