单光子是许多新兴量子技术的关键基础，但创造完美的单光子源具有挑战性。 在尝试开发可以在严格控制的实验室环境之外运行而无需庞大的零下冷却基础设施的紧凑系统时尤其如此。 澳大利亚科学家现在通过开发一种新的光源设计来应对这一挑战，该设计在室温下运行时每秒可产生超过 10 万个单光子。
一个完美的单光子源将按需为用户提供一个纯单光子。 现实世界的设备通常会在这些因应用而异的理想特性之间进行权衡。 在最新的工作中，研究人员由 伊戈尔·阿哈罗诺维奇 悉尼科技大学的研究人员将他们的单光子源基于一种称为六方氮化硼 (hBN) 的二维晶体材料。 晶体的原子结构是不完美的，来自强光源（如激光）的光会导致这些缺陷或缺陷，即使在室温下也会发射单个光子。
更好的收集方法
使用这些材料的挑战之一是开发一种收集方法，以确保生成的光子实际可用。 Aharonovich 及其同事通过将 hBN 材料薄片直接沉积到称为固体浸没透镜 (SIL) 的小型半球形收集透镜上来应对这一挑战。
这些 SIL 的直径仅为 1 mm，这使得处理它们成为一项特殊的实验挑战。 借助镊子，研究人员煞费苦心地将集成的 hBN 透镜放入便携式定制显微镜装置中（见图）。 然后，精心定位的激光源激发样品，SIL 将发射的单光子聚焦到检测器上。 通过将 2D 材料与透镜相结合，研究人员证明，与以前的方法相比，光子收集效率提高了 XNUMX 倍。 这些其他方法也依赖于复杂的纳米级工程过程，这使得它们不太适合大规模的日常量子通信应用。
研究人员继续证明他们产生的单光子具有极好的纯度。 这里的纯度是指发射单个光子而不是多个光子的概率——这是评估这些光源质量的重要指标。 长期测试表明，该系统以稳定的方式产生高纯度单光子，进一步证实了其在量子密钥分发（QKD）等应用中的部署适用性。 在此应用中，更好的单光子源可以提高加密协议的安全性，用于实现信息的安全传输，而不会丢失信号或容易受到窃听者的攻击。
高传输率
一旦他们知道他们的系统每秒产生多少光子，研究人员就会使用广泛采用的 QKD 协议（称为 BB84）估计它在实际 QKD 场景中的有效性。 他们表明，这种单光子源可以在半径约 8 公里的区域内保持高传输率，这将允许 QKD 在全市范围内进行覆盖。 结合该系统在室温下运行的事实，这突出了该系统在日常安全量子通信应用中的实用性。
追求科学传播事业，将单光子探测器商业化
评论未来的工作方向， 曾海伦从事该项目的研究人员之一表示，“我们准备将注意力转向将这些量子二维材料融入现实世界的应用中，这无疑将对量子通信领域产生深远的影响。”
新的单光子源在 光学字母.
