Tek fotonlar, yeni ortaya çıkan birçok kuantum teknolojisinin temel temelini oluşturur, ancak mükemmel tek foton kaynağını yaratmak zordur. Bu, özellikle sıfırın altındaki hacimli soğutma altyapısı olmadan dikkatle kontrol edilen laboratuvar ortamının dışında çalışabilen kompakt sistemler geliştirmeye çalışırken geçerlidir. Avustralya'daki bilim insanları, oda sıcaklığında çalışırken saniyede 10 milyondan fazla tek foton üretebilen yeni bir kaynak tasarımı geliştirerek bu zorluğun üstesinden geldi.
Mükemmel bir tek foton kaynağı, kullanıcıya talep üzerine tam olarak tek bir saf tek foton sağlayacaktır. Gerçek dünyadaki cihazlar genellikle uygulamaya bağlı olarak değişen bu ideal özellikler arasında bir dengeye sahiptir. Son çalışmada, liderliğindeki araştırmacılar İgor Aharonoviç Sidney Teknoloji Üniversitesi'nden araştırmacılar, tek foton kaynaklarını altıgen bor nitrür (hBN) adı verilen 2 boyutlu kristalli bir malzemeye dayandırdı. Kristalin atomik yapısı kusurludur ve lazer gibi yoğun bir kaynaktan gelen ışık, bu kusurların veya kusurların oda sıcaklığında bile tek foton yaymasına neden olabilir.
Daha iyi bir toplama yöntemi
Bu malzemeleri kullanırken karşılaşılan zorluklardan biri, üretilen fotonların gerçekten kullanılabilir olmasını sağlayacak bir toplama yöntemi geliştirmektir. Aharonovich ve meslektaşları, hBN malzemesinin pullarını, katı daldırma lensi (SIL) olarak bilinen küçük yarım küre şeklindeki toplama merceğine doğrudan biriktirerek bu zorluğun üstesinden geldi.
Bu SIL'lerin çapı yalnızca 1 mm'dir ve bu da bunların kullanımını özel bir deneysel zorluk haline getirir. Cımbızla donanmış olan araştırmacılar, entegre hBN merceğini titizlikle taşınabilir, özel yapım bir mikroskop düzenine yerleştirdiler (resme bakın). Dikkatlice konumlandırılmış bir lazer kaynağı daha sonra numuneyi harekete geçirir ve SIL, yayılan tekli fotonları bir dedektöre odaklar. Araştırmacılar, 2D malzemeyi bir mercekle birleştirerek, önceki yöntemlere kıyasla foton toplama verimliliğinde altı kat artış gösterdi. Bu diğer yöntemler aynı zamanda karmaşık nano ölçekli mühendislik süreçlerine de dayanıyor ve bu da onları kitlesel ölçekte günlük kuantum iletişim uygulamalarına daha az uygun hale getiriyor.
Araştırmacılar, ürettikleri tek fotonların mükemmel saflıkta olduğunu göstermeye devam etti. Buradaki saflık, birden fazla foton yerine tek bir foton yayma olasılığını ifade eder; bu, bu kaynakların kalitesinin değerlendirilmesinde önemli bir ölçümdür. Uzun vadeli testler, sistemin yüksek saflıkta tek fotonları istikrarlı bir şekilde ürettiğini gösterdi ve bu da kuantum anahtar dağıtımı (QKD) gibi uygulamalarda kullanıma uygunluğunu daha da doğruladı. Bu uygulamada, daha iyi tek foton kaynakları, sinyal kaybı olmadan veya kulak misafiri olanlara karşı güvenlik açığı olmadan bilginin güvenli bir şekilde iletilmesini sağlamak için kullanılan kriptografi protokollerinin güvenliğini artırabilir.
Yüksek aktarım hızları
Araştırmacılar, sistemlerinin saniyede kaç foton ürettiğini öğrendikten sonra, BB84 olarak bilinen ve yaygın olarak benimsenen bir QKD protokolünü kullanarak bunun pratik bir QKD senaryosunda ne kadar etkili olacağını tahmin ettiler. Bu tek fotonlu kaynağın, yaklaşık 8 km yarıçaplı bir alan üzerinde yüksek iletim hızlarını koruyabildiğini ve bunun da şehir çapında QKD kapsamına izin verebileceğini gösteriyorlar. Sistemin oda sıcaklığında çalıştığı gerçeğiyle birleştiğinde bu, sistemin günlük güvenli kuantum iletişim uygulamaları için pratikliğini vurgulamaktadır.
Bilim iletişiminde kariyer yapmak, tek fotonlu dedektörleri ticarileştirmek
Çalışmanın gelecekteki yönü hakkında yorumda bulunmak, Helen ZengProjede çalışan araştırmacılardan biri, "Dikkatimizi, kuantum iletişimi alanında şüphesiz geniş kapsamlı sonuçlar doğuracak olan bu kuantum 2 boyutlu materyalleri gerçek dünya uygulamalarına dahil etmeye yöneltmeye hazırız" diyor.
Yeni tek foton kaynağı şu şekilde açıklanmaktadır: Optik Harfler.
