Enkeltfotoner er et nøkkelgrunnlag for mange nye kvanteteknologier, men det er utfordrende å lage den perfekte enkeltfotonkilden. Dette gjelder spesielt når man prøver å utvikle kompakte systemer som kan operere utenfor det nøye kontrollerte laboratoriemiljøet uten klumpete kjøleinfrastruktur under null. Forskere i Australia har nå taklet denne utfordringen ved å utvikle et nytt kildedesign som kan produsere mer enn 10 millioner enkeltfotoner per sekund mens de opererer ved romtemperatur.
En perfekt enkeltfotonkilde vil gi brukeren nøyaktig ett rent enkeltfoton på forespørsel. Virkelige enheter har ofte en avveining mellom disse ideelle egenskapene som varierer avhengig av applikasjonen. I det siste arbeidet har forskere ledet av Igor Aharonovich ved University of Technology, Sydney baserte sin enkeltfotonkilde på et 2D-krystallinsk materiale kalt hexagonal bornitrid (hBN). Krystallens atomstruktur er ufullkommen, og lys fra en intens kilde som en laser kan føre til at disse ufullkommenhetene, eller defektene, sender ut enkeltfotoner selv ved romtemperatur.
En bedre innsamlingsmetode
En av utfordringene ved bruk av disse materialene er å utvikle en innsamlingsmetode som sikrer at de genererte fotonene faktisk er brukbare. Aharonovich og kollegene tok tak i denne utfordringen ved å deponere flak av hBN-materialet direkte på en liten halvkuleformet samlingslinse, kjent som en solid immersionslinse (SIL).
Disse SIL-ene har en diameter på bare 1 mm, noe som gjør håndteringen av dem til en spesiell eksperimentell utfordring. Bevæpnet med pinsett plasserte forskerne møysommelig den integrerte hBN-linsen i et bærbart skreddersydd mikroskopoppsett (se bilde). En nøye plassert laserkilde eksiterer deretter prøven og SIL fokuserer de utsendte enkeltfotonene på en detektor. Ved å kombinere 2D-materialet med en linse, demonstrerte forskerne en seks ganger forbedring i fotoninnsamlingseffektiviteten sammenlignet med tidligere metoder. Disse andre metodene er også avhengige av komplekse ingeniørprosesser i nanoskala, noe som gjør dem mindre egnet til masseskala hverdagslige kvantekommunikasjonsapplikasjoner.
Forskerne fortsatte med å demonstrere at enkeltfotonene de produserer er av utmerket renhet. Renhet refererer her til sannsynligheten for å sende ut et enkelt foton i stedet for flere - en viktig beregning for å vurdere kvaliteten på disse kildene. Langtidstester viste at systemet genererer enkeltfotoner med høy renhet på en stabil måte, noe som ytterligere bekrefter dets egnethet for distribusjon i applikasjoner som kvantenøkkeldistribusjon (QKD). I denne applikasjonen kan bedre enkeltfotonkilder forbedre sikkerheten til kryptografiprotokoller som brukes for å muliggjøre sikker overføring av informasjon uten signaltap eller sårbarhet for avlyttinger.
Høye overføringshastigheter
Når de visste hvor mange fotoner systemet deres produserer per sekund, estimerte forskerne hvor effektivt det ville være i et praktisk QKD-scenario ved å bruke en allment vedtatt QKD-protokoll kjent som BB84. De viser at denne enkeltfotonkilden kan opprettholde høye overføringshastigheter over et område på rundt 8 km i radius, noe som ville tillate QKD-dekning i byomfattende skala. Kombinert med det faktum at systemet opererer ved romtemperatur, fremhever dette det praktiske ved systemet for sikker kvantekommunikasjon i hverdagen.
Forfølger en karriere innen vitenskapskommunikasjon, kommersialisering av enkeltfotondetektorer
Kommenterer den fremtidige retningen for arbeidet, Helen Zeng, en av forskerne som jobber med prosjektet, uttaler: "Vi er klare til å rette oppmerksomheten mot å inkorporere disse kvante-2D-materialene i virkelige applikasjoner som utvilsomt vil ha vidtrekkende konsekvenser innen kvantekommunikasjon."
Den nye enkeltfotonkilden er beskrevet i Optikkbokstaver.
