Fótons únicos são uma base fundamental para muitas tecnologias quânticas emergentes, mas criar a fonte perfeita de fótons únicos é um desafio. Isso é particularmente verdadeiro ao tentar desenvolver sistemas compactos que podem operar fora do ambiente de laboratório cuidadosamente controlado sem infraestrutura de resfriamento abaixo de zero volumosa. Cientistas na Austrália agora enfrentaram esse desafio desenvolvendo um novo projeto de fonte que pode produzir mais de 10 milhões de fótons únicos por segundo enquanto opera em temperatura ambiente.
Uma fonte perfeita de um único fóton forneceria ao usuário exatamente um único fóton puro sob demanda. Os dispositivos do mundo real geralmente apresentam um equilíbrio entre essas características ideais que varia dependendo da aplicação. No último trabalho, pesquisadores liderados por Igor Aharonovich da Universidade de Tecnologia de Sydney baseou sua fonte de fóton único em um material cristalino 2D chamado nitreto de boro hexagonal (hBN). A estrutura atômica do cristal é imperfeita, e a luz de uma fonte intensa como um laser pode fazer com que essas imperfeições, ou defeitos, emitam fótons únicos mesmo à temperatura ambiente.
Um melhor método de coleta
Um dos desafios ao usar esses materiais é desenvolver um método de coleta que garanta que os fótons gerados sejam realmente utilizáveis. Aharonovich e colegas abordaram esse desafio depositando diretamente flocos do material hBN em uma pequena lente de coleta hemisférica, conhecida como lente de imersão sólida (SIL).
Esses SILs têm um diâmetro de apenas 1 mm, o que torna o manuseio deles um desafio experimental particular. Armados com pinças, os pesquisadores colocaram meticulosamente a lente hBN integrada em uma configuração de microscópio portátil feita sob medida (veja a imagem). Uma fonte de laser cuidadosamente posicionada excita a amostra e o SIL foca os fótons únicos emitidos em um detector. Ao combinar o material 2D com uma lente, os pesquisadores demonstraram uma melhoria de seis vezes na eficiência da coleta de fótons em comparação com os métodos anteriores. Esses outros métodos também dependem de processos complexos de engenharia em nanoescala, o que os torna menos adequados para aplicações de comunicação quântica cotidianas em grande escala.
Os pesquisadores passaram a demonstrar que os fótons únicos que eles produzem são de excelente pureza. Pureza aqui se refere à probabilidade de emitir um único fóton em vez de vários – uma métrica importante na avaliação da qualidade dessas fontes. Testes de longo prazo mostraram que o sistema gera fótons únicos de alta pureza de maneira estável, confirmando ainda mais sua adequação para implantação em aplicações como distribuição de chaves quânticas (QKD). Nesta aplicação, melhores fontes de fóton único podem melhorar a segurança dos protocolos de criptografia usados para permitir a transmissão segura de informações sem perda de sinal ou vulnerabilidade a bisbilhoteiros.
Altas taxas de transmissão
Uma vez que souberam quantos fótons seu sistema produz por segundo, os pesquisadores estimaram quão eficaz seria em um cenário prático de QKD usando um protocolo QKD amplamente adotado conhecido como BB84. Eles mostram que essa fonte de fóton único pode manter altas taxas de transmissão em uma área de cerca de 8 km de raio, o que permitiria a cobertura de QKD em escala urbana. Combinado com o fato de que o sistema opera em temperatura ambiente, isso destaca a praticidade do sistema para aplicações de comunicação quântica seguras do dia a dia.
Prosseguindo uma carreira em comunicação científica, comercializando detectores de fóton único
Comentando sobre a direção futura do trabalho, Helen Zeng, um dos pesquisadores que trabalham no projeto, afirma: “Estamos prontos para voltar nossa atenção para a incorporação desses materiais quânticos 2D em aplicações do mundo real que, sem dúvida, terão consequências de longo alcance no campo das comunicações quânticas”.
A nova fonte de fóton único é descrita em Letras ópticas.
