Окремі фотони є ключовою основою для багатьох нових квантових технологій, але створити ідеальне джерело одного фотона є складним завданням. Це особливо вірно при спробі розробити компактні системи, які можуть працювати поза ретельно контрольованим лабораторним середовищем без громіздкої інфраструктури охолодження з мінусовою температурою. Вчені з Австралії зараз вирішили цю проблему, розробивши нову конструкцію джерела, яке може виробляти понад 10 мільйонів одиничних фотонів на секунду, працюючи при кімнатній температурі.
Ідеальне однофотонне джерело забезпечить користувачеві рівно один чистий одиночний фотон на вимогу. У реальних пристроях часто є компроміс між цими ідеальними характеристиками, які відрізняються залежно від програми. В останній роботі дослідники під керівництвом Ігор Агаронович з Технологічного університету Сіднея заснували своє однофотонне джерело на 2D кристалічному матеріалі під назвою гексагональний нітрид бору (hBN). Атомна структура кристала є недосконалою, і світло від інтенсивного джерела, такого як лазер, може призвести до того, що ці недоліки або дефекти випромінюють окремі фотони навіть за кімнатної температури.
Кращий спосіб збору
Однією з проблем, пов’язаних із використанням цих матеріалів, є розробка методу збору, який гарантує, що згенеровані фотони дійсно придатні для використання. Ааронович і його колеги вирішили цю проблему, безпосередньо осадивши пластівці матеріалу hBN на невелику напівсферичну колекційну лінзу, відому як суцільна імерсійна лінза (SIL).
Ці SIL мають діаметр лише 1 мм, що робить роботу з ними особливою експериментальною проблемою. Озброївшись пінцетом, дослідники старанно помістили інтегровану hBN-лінзу в портативний індивідуальний мікроскоп (див. зображення). Ретельно розташоване лазерне джерело збуджує зразок, а SIL фокусує випромінювані поодинокі фотони на детектор. Поєднавши 2D-матеріал з лінзою, дослідники продемонстрували шестикратне покращення ефективності збору фотонів порівняно з попередніми методами. Ці інші методи також покладаються на складні нанорозмірні інженерні процеси, що робить їх менш придатними для масових повсякденних додатків квантової комунікації.
Далі дослідники продемонстрували, що окремі фотони, які вони виробляють, мають чудову чистоту. Чистота тут відноситься до ймовірності випромінювання одного фотона, а не кількох фотонів – важливого показника в оцінці якості цих джерел. Тривалі випробування показали, що система стабільно генерує поодинокі фотони високої чистоти, що додатково підтверджує її придатність для розгортання в таких програмах, як квантовий розподіл ключів (QKD). У цій програмі кращі однофотонні джерела можуть підвищити безпеку протоколів криптографії, які використовуються для забезпечення безпечної передачі інформації без втрати сигналу або вразливості для перехоплювачів.
Висока швидкість передачі
Коли вони дізналися, скільки фотонів виробляє їхня система за секунду, дослідники оцінили, наскільки вона буде ефективною в практичному сценарії QKD з використанням широко поширеного протоколу QKD, відомого як BB84. Вони показують, що це однофотонне джерело може підтримувати високі швидкості передачі на території радіусом близько 8 км, що дозволить охопити QKD у масштабі всього міста. У поєднанні з тим фактом, що система працює при кімнатній температурі, це підкреслює практичність системи для повсякденних застосувань безпечного квантового зв’язку.
Продовжуючи кар’єру в науковій комунікації, комерціалізуючи однофотонні детектори
Коментуючи подальший напрямок роботи, Хелен Зенг, один із дослідників, які працюють над проектом, заявляє: «Ми готові звернути увагу на включення цих квантових 2D матеріалів у реальні програми, що, безсумнівно, матиме далекосяжні наслідки у сфері квантових комунікацій».
Нове джерело одного фотона описано в Оптика Букви.
