Các photon đơn lẻ là nền tảng quan trọng cho nhiều công nghệ lượng tử mới nổi, nhưng việc tạo ra nguồn đơn photon hoàn hảo là một thách thức. Điều này đặc biệt đúng khi cố gắng phát triển các hệ thống nhỏ gọn có thể hoạt động bên ngoài môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát cẩn thận mà không cần cơ sở hạ tầng làm mát dưới 10 độ C cồng kềnh. Các nhà khoa học ở Úc hiện đã giải quyết thách thức này bằng cách phát triển một thiết kế nguồn mới có thể tạo ra hơn XNUMX triệu photon đơn lẻ mỗi giây khi hoạt động ở nhiệt độ phòng.
Một nguồn đơn photon hoàn hảo sẽ cung cấp cho người dùng chính xác một photon đơn tinh khiết theo yêu cầu. Các thiết bị trong thế giới thực thường có sự đánh đổi giữa các đặc điểm lý tưởng này thay đổi tùy theo ứng dụng. Trong công trình mới nhất, các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Igor Aharonovich của Đại học Công nghệ, Sydney dựa trên nguồn đơn photon của họ trên một vật liệu tinh thể 2D gọi là nitrua boron lục giác (hBN). Cấu trúc nguyên tử của tinh thể là không hoàn hảo và ánh sáng từ một nguồn cường độ cao chẳng hạn như tia laze có thể khiến những điểm không hoàn hảo hoặc khiếm khuyết này phát ra các photon đơn lẻ ngay cả ở nhiệt độ phòng.
Một phương pháp thu thập tốt hơn
Một trong những thách thức khi sử dụng những vật liệu này là phát triển một phương pháp thu thập để đảm bảo rằng các photon được tạo ra thực sự có thể sử dụng được. Aharonovich và các đồng nghiệp đã giải quyết thách thức này bằng cách đặt trực tiếp các mảnh vật liệu hBN lên một thấu kính thu thập hình bán cầu nhỏ, được gọi là thấu kính nhúng rắn (SIL).
Những SIL này có đường kính chỉ 1 mm, khiến việc xử lý chúng trở thành một thách thức thử nghiệm đặc biệt. Được trang bị nhíp, các nhà nghiên cứu đã cẩn thận đặt thấu kính hBN tích hợp vào một thiết lập kính hiển vi tùy chỉnh di động (xem hình ảnh). Sau đó, một nguồn laser được định vị cẩn thận sẽ kích thích mẫu và SIL tập trung các photon đơn phát ra vào một máy dò. Bằng cách kết hợp vật liệu 2D với một thấu kính, các nhà nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả thu thập photon cải thiện gấp sáu lần so với các phương pháp trước đây. Các phương pháp khác này cũng dựa trên các quy trình kỹ thuật cấp độ nano phức tạp, khiến chúng ít phù hợp hơn với các ứng dụng truyền thông lượng tử hàng ngày ở quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu tiếp tục chứng minh rằng các photon đơn lẻ mà họ tạo ra có độ tinh khiết tuyệt vời. Độ tinh khiết ở đây đề cập đến xác suất phát ra một photon đơn lẻ chứ không phải nhiều photon – một thước đo quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của các nguồn này. Các thử nghiệm dài hạn cho thấy hệ thống tạo ra các photon đơn lẻ có độ tinh khiết cao một cách ổn định, tiếp tục khẳng định tính phù hợp của nó để triển khai trong các ứng dụng như phân phối khóa lượng tử (QKD). Trong ứng dụng này, các nguồn đơn photon tốt hơn có thể cải thiện tính bảo mật của các giao thức mã hóa được sử dụng để cho phép truyền thông tin an toàn mà không bị mất tín hiệu hoặc dễ bị nghe lén.
Tốc độ truyền cao
Sau khi biết hệ thống của họ tạo ra bao nhiêu photon mỗi giây, các nhà nghiên cứu ước tính mức độ hiệu quả của nó trong kịch bản QKD thực tế bằng cách sử dụng giao thức QKD được áp dụng rộng rãi có tên BB84. Họ chỉ ra rằng nguồn photon đơn lẻ này có thể duy trì tốc độ truyền cao trên một khu vực có bán kính khoảng 8 km, điều này sẽ cho phép phủ sóng QKD trên quy mô toàn thành phố. Kết hợp với thực tế là hệ thống hoạt động ở nhiệt độ phòng, điều này làm nổi bật tính thực tế của hệ thống đối với các ứng dụng liên lạc lượng tử an toàn hàng ngày.
Theo đuổi sự nghiệp trong lĩnh vực truyền thông khoa học, thương mại hóa máy dò đơn photon
Nhận xét về hướng tương lai của công việc, Helen Zeng, một trong những nhà nghiên cứu làm việc trong dự án, tuyên bố, “Chúng tôi sẵn sàng chuyển sự chú ý của mình sang việc kết hợp các vật liệu 2D lượng tử này vào các ứng dụng trong thế giới thực, chắc chắn sẽ có những hậu quả sâu rộng trong lĩnh vực truyền thông lượng tử.”
Nguồn đơn photon mới được mô tả trong Chữ cái quang học.
