Posamezni fotoni so ključni temelj za mnoge nastajajoče kvantne tehnologije, vendar je ustvarjanje popolnega vira enega fotona izziv. To še posebej velja, ko poskušamo razviti kompaktne sisteme, ki lahko delujejo zunaj skrbno nadzorovanega laboratorijskega okolja brez obsežne infrastrukture za hlajenje pod ničlo. Znanstveniki v Avstraliji so zdaj obravnavali ta izziv z razvojem novega izvora, ki lahko proizvede več kot 10 milijonov posameznih fotonov na sekundo, medtem ko deluje pri sobni temperaturi.
Popoln vir z enim fotonom bi uporabniku na zahtevo zagotovil natanko en sam čisti foton. Naprave v resničnem svetu imajo pogosto kompromis med temi idealnimi lastnostmi, ki se razlikujejo glede na aplikacijo. V zadnjem delu so raziskovalci pod vodstvom Igor Aharonovič Univerze za tehnologijo v Sydneyju so svoj enofotonski vir zasnovali na 2D kristalnem materialu, imenovanem heksagonalni borov nitrid (hBN). Atomska struktura kristala je nepopolna in svetloba iz intenzivnega vira, kot je laser, lahko povzroči, da te nepopolnosti ali napake oddajajo posamezne fotone tudi pri sobni temperaturi.
Boljši način zbiranja
Eden od izzivov pri uporabi teh materialov je razviti metodo zbiranja, ki zagotavlja, da so ustvarjeni fotoni dejansko uporabni. Aharonovich in sodelavci so se tega izziva lotili z neposrednim odlaganjem kosmičev materiala hBN na majhno polkroglo zbiralno lečo, znano kot trdna potopna leča (SIL).
Ti SIL-ji imajo premer le 1 mm, zaradi česar je ravnanje z njimi poseben eksperimentalni izziv. Oboroženi s pinceto so raziskovalci skrbno postavili integrirano hBN-lečo v prenosno mikroskopsko nastavitev po meri (glej sliko). Skrbno nameščen laserski vir nato vzbudi vzorec in SIL usmeri posamezne oddane fotone na detektor. S kombinacijo 2D materiala z lečo so raziskovalci dokazali šestkratno izboljšanje učinkovitosti zbiranja fotonov v primerjavi s prejšnjimi metodami. Te druge metode se prav tako zanašajo na zapletene inženirske postopke nanometrskega merila, zaradi česar so manj primerne za masovne vsakodnevne aplikacije kvantne komunikacije.
Raziskovalci so nadalje dokazali, da so posamezni fotoni, ki jih proizvajajo, odlične čistosti. Čistost se tukaj nanaša na verjetnost oddajanja enega samega fotona namesto več fotonov – pomembna metrika pri ocenjevanju kakovosti teh virov. Dolgoročni testi so pokazali, da sistem ustvarja posamezne fotone visoke čistosti na stabilen način, kar dodatno potrjuje njegovo primernost za uporabo v aplikacijah, kot je kvantna distribucija ključev (QKD). V tej aplikaciji bi lahko boljši viri z enim fotonom izboljšali varnost kriptografskih protokolov, ki se uporabljajo za omogočanje varnega prenosa informacij brez izgube signala ali ranljivosti za prisluškovanje.
Visoke hitrosti prenosa
Ko so vedeli, koliko fotonov proizvede njihov sistem na sekundo, so raziskovalci ocenili, kako učinkovit bi bil v praktičnem scenariju QKD z uporabo široko sprejetega protokola QKD, znanega kot BB84. Kažejo, da lahko ta vir z enim fotonom vzdržuje visoke hitrosti prenosa na območju s polmerom okoli 8 km, kar bi omogočilo pokritost QKD na ravni mesta. V kombinaciji z dejstvom, da sistem deluje pri sobni temperaturi, to poudarja praktičnost sistema za vsakodnevne aplikacije varne kvantne komunikacije.
Nadaljevanje kariere v znanstveni komunikaciji, komercializacija enofotonskih detektorjev
Ko je komentiral prihodnjo usmeritev dela, Helen Zeng, eden od raziskovalcev, ki dela na projektu, pravi: "Pripravljeni smo usmeriti našo pozornost k vključevanju teh kvantnih 2D materialov v aplikacije v resničnem svetu, kar bo nedvomno imelo daljnosežne posledice na področju kvantnih komunikacij."
Nov vir z enim fotonom je opisan v Črke optike.
