Одиночные фотоны являются ключевой основой для многих новых квантовых технологий, но создание идеального источника одиночных фотонов является сложной задачей. Это особенно верно при разработке компактных систем, которые могут работать за пределами тщательно контролируемой лабораторной среды без громоздкой инфраструктуры охлаждения при отрицательных температурах. Австралийские ученые решили эту проблему, разработав новую конструкцию источника, который может производить более 10 миллионов одиночных фотонов в секунду при комнатной температуре.
Идеальный однофотонный источник должен предоставить пользователю ровно один чистый одиночный фотон по требованию. Реальные устройства часто имеют компромисс между этими идеальными характеристиками, который варьируется в зависимости от приложения. В последней работе исследователи под руководством Игорь Ааронович из Технологического университета Сиднея основали свой источник одиночных фотонов на двумерном кристаллическом материале, называемом гексагональным нитридом бора (hBN). Атомная структура кристалла несовершенна, и свет от мощного источника, такого как лазер, может привести к тому, что эти несовершенства или дефекты будут испускать одиночные фотоны даже при комнатной температуре.
Лучший метод сбора
Одной из проблем при использовании этих материалов является разработка метода сбора, который гарантирует, что сгенерированные фотоны действительно пригодны для использования. Ааронович и его коллеги решили эту проблему, нанеся хлопья материала hBN непосредственно на небольшую полусферическую собирающую линзу, известную как твердая иммерсионная линза (SIL).
Эти SIL имеют диаметр всего 1 мм, что делает работу с ними особенно сложной экспериментальной задачей. Вооружившись пинцетом, исследователи кропотливо поместили встроенную линзу hBN в портативный микроскоп, изготовленный на заказ (см. изображение). Затем тщательно расположенный лазерный источник возбуждает образец, и SIL фокусирует излучаемые одиночные фотоны на детектор. Объединив 2D-материал с линзой, исследователи продемонстрировали шестикратное улучшение эффективности сбора фотонов по сравнению с предыдущими методами. Эти другие методы также основаны на сложных наномасштабных инженерных процессах, что делает их менее подходящими для массовых повседневных приложений квантовой связи.
Далее исследователи продемонстрировали, что одиночные фотоны, которые они производят, имеют превосходную чистоту. Под чистотой здесь понимается вероятность испускания одного фотона, а не нескольких — важный показатель при оценке качества этих источников. Длительные испытания показали, что система стабильно генерирует одиночные фотоны высокой чистоты, что еще раз подтвердило ее пригодность для развертывания в таких приложениях, как распределение квантовых ключей (QKD). В этом приложении улучшенные однофотонные источники могут повысить безопасность криптографических протоколов, используемых для обеспечения безопасной передачи информации без потери сигнала или уязвимости для перехватчиков.
Высокая скорость передачи
Узнав, сколько фотонов производит их система в секунду, исследователи оценили ее эффективность в практическом сценарии КРК с использованием широко распространенного протокола КРК, известного как BB84. Они показывают, что этот однофотонный источник может поддерживать высокую скорость передачи на территории радиусом около 8 км, что позволит обеспечить покрытие QKD в масштабах всего города. В сочетании с тем фактом, что система работает при комнатной температуре, это подчеркивает практичность системы для повседневных приложений безопасной квантовой связи.
Карьера в области научных коммуникаций, коммерциализация однофотонных детекторов.
Комментируя дальнейшее направление работы, Хелен Цзэн, один из исследователей, работающих над проектом, заявляет: «Мы готовы обратить наше внимание на включение этих квантовых 2D-материалов в приложения реального мира, что, несомненно, будет иметь далеко идущие последствия в области квантовых коммуникаций».
Новый однофотонный источник описан в Оптика Письма.
