Pojedyncze fotony są kluczową podstawą dla wielu powstających technologii kwantowych, ale stworzenie idealnego źródła pojedynczego fotonu jest wyzwaniem. Jest to szczególnie prawdziwe, gdy próbujemy opracowywać kompaktowe systemy, które mogą działać poza starannie kontrolowanym środowiskiem laboratoryjnym bez obszernej infrastruktury chłodzącej do temperatury poniżej zera. Naukowcy z Australii zajęli się teraz tym wyzwaniem, opracowując nowy projekt źródła, który może wytwarzać ponad 10 milionów pojedynczych fotonów na sekundę podczas pracy w temperaturze pokojowej.
Idealne źródło pojedynczego fotonu zapewniłoby użytkownikowi dokładnie jeden czysty pojedynczy foton na żądanie. Urządzenia w świecie rzeczywistym często charakteryzują się kompromisem między tymi idealnymi cechami, które różnią się w zależności od aplikacji. W najnowszej pracy badacze pod kierunkiem Igor Aharonowicz z University of Technology w Sydney oparł swoje źródło pojedynczego fotonu na dwuwymiarowym materiale krystalicznym zwanym heksagonalnym azotkiem boru (hBN). Struktura atomowa kryształu jest niedoskonała, a światło z intensywnego źródła, takiego jak laser, może spowodować, że te niedoskonałości lub defekty będą emitować pojedyncze fotony nawet w temperaturze pokojowej.
Lepsza metoda zbierania
Jednym z wyzwań przy korzystaniu z tych materiałów jest opracowanie metody zbierania, która zapewni, że wygenerowane fotony będą rzeczywiście użyteczne. Aharonovich i współpracownicy zajęli się tym wyzwaniem, bezpośrednio nakładając płatki materiału hBN na małą półkulistą soczewkę zbierającą, znaną jako stała soczewka immersyjna (SIL).
Te SIL mają średnicę zaledwie 1 mm, co sprawia, że obsługa ich jest szczególnym wyzwaniem eksperymentalnym. Uzbrojeni w pęsety naukowcy z trudem umieścili zintegrowaną soczewkę hBN w przenośnym, wykonanym na zamówienie zestawie mikroskopu (patrz zdjęcie). Ostrożnie ustawione źródło lasera wzbudza następnie próbkę, a SIL skupia wyemitowane pojedyncze fotony na detektorze. Łącząc materiał 2D z soczewką, naukowcy wykazali sześciokrotną poprawę wydajności zbierania fotonów w porównaniu z poprzednimi metodami. Te inne metody opierają się również na złożonych procesach inżynieryjnych w nanoskali, co sprawia, że są mniej odpowiednie do zastosowań w codziennej komunikacji kwantowej na skalę masową.
Naukowcy wykazali następnie, że pojedyncze fotony, które wytwarzają, mają doskonałą czystość. Czystość odnosi się tutaj do prawdopodobieństwa wyemitowania pojedynczego fotonu, a nie wielu – ważnej metryki w ocenie jakości tych źródeł. Testy długoterminowe wykazały, że system generuje pojedyncze fotony o wysokiej czystości w stabilny sposób, co dodatkowo potwierdza jego przydatność do zastosowania w aplikacjach takich jak dystrybucja klucza kwantowego (QKD). W tej aplikacji lepsze źródła pojedynczych fotonów mogą poprawić bezpieczeństwo protokołów kryptograficznych używanych do umożliwienia bezpiecznego przesyłania informacji bez utraty sygnału lub podatności na podsłuchiwanie.
Wysokie szybkości transmisji
Gdy już dowiedzieli się, ile fotonów wytwarza ich system na sekundę, naukowcy oszacowali, jak efektywny byłby on w praktycznym scenariuszu QKD przy użyciu szeroko przyjętego protokołu QKD znanego jako BB84. Pokazują, że to jednofotonowe źródło może utrzymywać wysokie prędkości transmisji na obszarze o promieniu około 8 km, co pozwoliłoby na pokrycie QKD w skali całego miasta. W połączeniu z faktem, że system działa w temperaturze pokojowej, podkreśla to praktyczność systemu w codziennych zastosowaniach bezpiecznej komunikacji kwantowej.
Kariera w komunikacji naukowej, komercjalizacja detektorów jednofotonowych
Komentowanie przyszłego kierunku prac, Helena Zeng, jeden z naukowców pracujących nad projektem, stwierdza: „Jesteśmy gotowi zwrócić naszą uwagę na włączenie tych kwantowych materiałów 2D do rzeczywistych zastosowań, co niewątpliwie będzie miało daleko idące konsekwencje w dziedzinie komunikacji kwantowej”.
Nowe źródło jednofotonowe jest opisane w Listy optyki.
