โฟตอนเดี่ยวเป็นรากฐานที่สำคัญสำหรับเทคโนโลยีควอนตัมที่เกิดขึ้นใหม่มากมาย แต่การสร้างแหล่งโฟตอนเดียวที่สมบูรณ์แบบนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพยายามพัฒนาระบบขนาดกะทัดรัดที่สามารถทำงานได้นอกสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุมอย่างระมัดระวังโดยไม่ต้องมีโครงสร้างพื้นฐานการระบายความร้อนที่ต่ำกว่าศูนย์ขนาดใหญ่ นักวิทยาศาสตร์ในออสเตรเลียได้จัดการกับความท้าทายนี้ด้วยการพัฒนาการออกแบบแหล่งใหม่ที่สามารถผลิตโฟตอนเดี่ยวได้มากกว่า 10 ล้านโฟตอนต่อวินาทีในขณะที่ทำงานที่อุณหภูมิห้อง
แหล่งโฟตอนเดียวที่สมบูรณ์แบบจะให้โฟตอนเดียวที่บริสุทธิ์แก่ผู้ใช้ตามต้องการ อุปกรณ์ในโลกแห่งความเป็นจริงมักจะมีการประนีประนอมระหว่างคุณลักษณะในอุดมคติเหล่านี้ซึ่งแตกต่างกันไปตามแอปพลิเคชัน ในผลงานล่าสุด นักวิจัยนำโดย อิกอร์ อาโรโนวิช แห่งมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีซิดนีย์ใช้แหล่งกำเนิดโฟตอนเดียวบนวัสดุผลึก 2 มิติที่เรียกว่าโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN) โครงสร้างอะตอมของคริสตัลไม่สมบูรณ์ และแสงจากแหล่งกำเนิดแสงที่รุนแรง เช่น เลเซอร์ อาจทำให้ความไม่สมบูรณ์หรือข้อบกพร่องเหล่านี้ปล่อยโฟตอนเดี่ยวแม้ที่อุณหภูมิห้อง
วิธีการเก็บรวบรวมที่ดีกว่า
ความท้าทายประการหนึ่งเมื่อใช้วัสดุเหล่านี้คือการพัฒนาวิธีการเก็บรวบรวมเพื่อให้แน่ใจว่าโฟตอนที่สร้างขึ้นจะสามารถใช้งานได้จริง Ahronovich และเพื่อนร่วมงานได้จัดการกับความท้าทายนี้โดยการวางสะเก็ดของวัสดุ hBN ลงบนเลนส์คอลเลกชั่นครึ่งซีกขนาดเล็กโดยตรง ซึ่งรู้จักกันในชื่อ Solid Immersion Lens (SIL)
SIL เหล่านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1 มม. ซึ่งทำให้การจัดการกับสิ่งเหล่านี้เป็นความท้าทายในการทดลองโดยเฉพาะ นักวิจัยใช้แหนบติดตั้งเลนส์ hBN ที่ผสานรวมเข้ากับชุดกล้องจุลทรรศน์แบบพกพาที่ทำเองได้ (ดูรูป) อย่างระมัดระวัง แหล่งกำเนิดเลเซอร์ที่วางตำแหน่งอย่างระมัดระวังจะกระตุ้นตัวอย่าง และ SIL จะโฟกัสโฟตอนเดี่ยวที่ปล่อยออกมาบนเครื่องตรวจจับ ด้วยการรวมวัสดุ 2D เข้ากับเลนส์ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพการรวบรวมโฟตอนถึงหกเท่าเมื่อเทียบกับวิธีการก่อนหน้านี้ วิธีการอื่นๆ เหล่านี้ยังต้องอาศัยกระบวนการทางวิศวกรรมระดับนาโนที่ซับซ้อน ซึ่งทำให้ไม่เหมาะกับการใช้งานการสื่อสารควอนตัมในชีวิตประจำวันในระดับมวลชน
นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าโฟตอนเดี่ยวที่ผลิตขึ้นนั้นมีความบริสุทธิ์ที่ดีเยี่ยม ความบริสุทธิ์ในที่นี้หมายถึงความน่าจะเป็นของการปล่อยโฟตอนเดียวมากกว่าหลายโฟตอน ซึ่งเป็นตัวชี้วัดที่สำคัญในการประเมินคุณภาพของแหล่งที่มาเหล่านี้ การทดสอบระยะยาวแสดงให้เห็นว่าระบบสร้างโฟตอนเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูงด้วยวิธีที่เสถียร ซึ่งยืนยันเพิ่มเติมถึงความเหมาะสมสำหรับการใช้งานในแอปพลิเคชัน เช่น การกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) ในแอปพลิเคชันนี้ แหล่งโฟตอนเดียวที่ดีกว่าสามารถปรับปรุงความปลอดภัยของโปรโตคอลการเข้ารหัสที่ใช้เพื่อเปิดใช้งานการส่งข้อมูลอย่างปลอดภัยโดยไม่สูญเสียสัญญาณหรือช่องโหว่ต่อผู้ดักฟัง
อัตราการส่งข้อมูลสูง
เมื่อพวกเขารู้ว่าระบบผลิตโฟตอนจำนวนเท่าใดต่อวินาที นักวิจัยประเมินว่าโฟตอนจะมีประสิทธิภาพมากน้อยเพียงใดในสถานการณ์จริงของ QKD โดยใช้โปรโตคอล QKD ที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางซึ่งเรียกว่า BB84 พวกเขาแสดงให้เห็นว่าแหล่งกำเนิดโฟตอนเดียวนี้สามารถรักษาอัตราการส่งข้อมูลที่สูงในรัศมีประมาณ 8 กม. ซึ่งจะทำให้ครอบคลุม QKD ในระดับทั่วเมือง เมื่อรวมกับความจริงที่ว่าระบบทำงานที่อุณหภูมิห้อง สิ่งนี้เน้นให้เห็นถึงการใช้งานจริงของระบบสำหรับแอปพลิเคชันการสื่อสารควอนตัมที่ปลอดภัยทุกวัน
ใฝ่หาอาชีพในการสื่อสารทางวิทยาศาสตร์ การค้าเครื่องตรวจจับโฟตอนเดียว
แสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับทิศทางของงานในอนาคต เฮเลน เซงนักวิจัยคนหนึ่งที่ทำงานในโครงการนี้กล่าวว่า "เราพร้อมที่จะหันความสนใจไปที่การรวมวัสดุควอนตัม 2D เหล่านี้เข้ากับการใช้งานจริงซึ่งจะมีผลกระทบอย่างมากในด้านการสื่อสารควอนตัม"
แหล่งโฟตอนเดียวใหม่มีอธิบายไว้ใน จดหมายเลนส์.
