Enskilda fotoner är en nyckelgrund för många framväxande kvantteknologier, men att skapa den perfekta enfotonkällan är utmanande. Detta gäller särskilt när man försöker utveckla kompakta system som kan fungera utanför den noggrant kontrollerade labbmiljön utan skrymmande infrastruktur för kylning under noll. Forskare i Australien har nu tagit itu med denna utmaning genom att utveckla en ny källdesign som kan producera mer än 10 miljoner enstaka fotoner per sekund medan de arbetar i rumstemperatur.
En perfekt enfotonkälla skulle ge användaren exakt en ren enskild foton på begäran. Verkliga enheter har ofta en avvägning mellan dessa idealiska egenskaper som varierar beroende på applikation. I det senaste arbetet har forskare under ledning av Igor Aharonovich från University of Technology, Sydney baserade sin enfotonkälla på ett 2D-kristallint material som kallas hexagonal bornitrid (hBN). Kristallens atomära struktur är ofullkomlig, och ljus från en intensiv källa som en laser kan få dessa ofullkomligheter, eller defekter, att avge enstaka fotoner även vid rumstemperatur.
En bättre insamlingsmetod
En av utmaningarna när man använder dessa material är att utveckla en insamlingsmetod som säkerställer att de genererade fotonerna faktiskt är användbara. Aharonovich och kollegor tog sig an denna utmaning genom att direkt deponera flingor av hBN-materialet på en liten halvsfärisk samlingslins, känd som en solid immersionslins (SIL).
Dessa SILs har en diameter på bara 1 mm, vilket gör hanteringen av dem till en speciell experimentell utmaning. Beväpnade med pincett placerade forskarna mödosamt den integrerade hBN-linsen i en portabel skräddarsydd mikroskopuppställning (se bild). En noggrant placerad laserkälla exciterar sedan provet och SIL fokuserar de emitterade enstaka fotonerna på en detektor. Genom att kombinera 2D-materialet med en lins visade forskarna en sexfaldig förbättring av effektiviteten för fotoninsamling jämfört med tidigare metoder. Dessa andra metoder förlitar sig också på komplexa ingenjörsprocesser i nanoskala, vilket gör dem mindre lämpliga för massskaliga vardagliga kvantkommunikationstillämpningar.
Forskarna fortsatte med att visa att de enskilda fotoner de producerar är av utmärkt renhet. Renhet avser här sannolikheten att sända ut en enda foton snarare än flera - ett viktigt mått för att bedöma kvaliteten på dessa källor. Långtidstester visade att systemet genererar enstaka fotoner med hög renhet på ett stabilt sätt, vilket ytterligare bekräftar dess lämplighet för utplacering i applikationer som kvantnyckeldistribution (QKD). I den här applikationen kan bättre enfotonkällor förbättra säkerheten för kryptografiprotokoll som används för att möjliggöra säker överföring av information utan signalförlust eller sårbarhet för avlyssnare.
Höga överföringshastigheter
När de väl visste hur många fotoner deras system producerar per sekund, uppskattade forskarna hur effektivt det skulle vara i ett praktiskt QKD-scenario med hjälp av ett allmänt antaget QKD-protokoll känt som BB84. De visar att denna enfotonkälla kan upprätthålla höga överföringshastigheter över ett område runt 8 km i radie, vilket skulle möjliggöra QKD-täckning i stadsomfattande skala. I kombination med det faktum att systemet arbetar vid rumstemperatur, framhäver detta systemets praktiska funktion för vardagliga säkra kvantkommunikationstillämpningar.
Fortsätta en karriär inom vetenskapskommunikation, kommersialisera singelfotondetektorer
Kommenterar den framtida inriktningen av arbetet, Helen Zeng, en av forskarna som arbetar med projektet, säger: "Vi är redo att vända vår uppmärksamhet mot att införliva dessa kvant-2D-material i verkliga tillämpningar som utan tvekan kommer att få långtgående konsekvenser inom området kvantkommunikation."
Den nya enfotonkällan beskrivs i Optikbokstäver.
