Исследователи разработали новый источник одиночных фотонов высокой чистоты, который может работать при комнатной температуре. Источник является важным шагом на пути к практическому применению квантовых технологий, таких как высокозащищенная связь на основе квантового распределения ключей (QKD).
«Мы разработали способ генерации фотонов высокой чистоты в масштабируемой и портативной системе, работающей при комнатной температуре», — сказала Хелен Зенг, член исследовательской группы из Технологического университета Сиднея в Австралии. «Наш однофотонный источник может способствовать развитию практических систем КРК и может быть интегрирован во множество реальных приложений квантовой фотоники».
В журнале Optics Letters издательства Optica Publishing Group Зенг и его коллеги из австралийского Университета Нового Южного Уэльса и Университета Маккуори описывают свой новый источник одиночных фотонов и показывают, что он может производить более десяти миллионов одиночных фотонов в секунду при комнатной температуре. Они также включили источник одиночных фотонов в полностью портативное устройство, способное выполнять QKD.
Новый однофотонный источник уникальным образом сочетает в себе двумерный материал, называемый гексагональным нитридом бора , с оптическим компонентом , известным как полусферическая твердая иммерсионная линза, что увеличивает эффективность источника в шесть раз.
Одиночные фотоны при комнатной температуре
QKD предлагает непробиваемое шифрование для передачи данных, используя квантовые свойства света для генерации безопасных случайных ключей для шифрования и дешифрования данных. Для систем КРК требуются надежные и яркие источники, излучающие свет в виде цепочки одиночных фотонов. Однако большинство современных однофотонных источников работают плохо, если они не работают при криогенных температурах в сотни градусов ниже нуля, что ограничивает их практичность.
Хотя гексагональный нитрид бора ранее использовался для создания источника одиночных фотонов, работающего при комнатной температуре, до сих пор исследователи не могли достичь эффективности, необходимой для реального применения. «Большинство подходов, используемых для улучшения однофотонных источников из гексагонального нитрида бора, основаны на точном позиционировании излучателя или использовании нанотехнологий», — сказал Цзэн. «Это делает устройства сложными, трудно масштабируемыми и непростыми в массовом производстве».
Зенг и его коллеги решили создать лучшее решение, используя твердую иммерсионную линзу для фокусировки фотонов, исходящих от однофотонного излучателя, что позволяет обнаруживать больше фотонов. Эти линзы коммерчески доступны и просты в изготовлении.
Исследователи объединили свой новый источник одиночных фотонов с изготовленным на заказ портативным конфокальным микроскопом, который может измерять отдельные фотоны при комнатной температуре , создав систему, способную выполнять QKD. Источник одиночных фотонов и конфокальный микроскоп размещены в прочном корпусе размером всего 500 x 500 миллиметров и весом около 10 килограммов. Пакет также разработан для борьбы с вибрацией и рассеянным светом.
«Наше модернизированное устройство проще в использовании и намного меньше, чем традиционные оптические столы, которые часто занимают целые лаборатории», — сказал Цзэн. «Это позволяет использовать систему с рядом схем квантовых вычислений. Ее также можно адаптировать для работы с существующей телекоммуникационной инфраструктурой».
Демонстрация квантовой криптографии
Испытания нового источника одиночных фотонов показали, что он может достигать скорости сбора одиночных фотонов 10 7 Гц при сохранении превосходной чистоты — это означает, что вероятность того, что каждый импульс будет содержать более одного фотона, мала. Он также показал исключительную стабильность в течение многих часов непрерывной работы. Исследователи также продемонстрировали способность системы выполнять QKD в реальных условиях, показав, что защищенная QKD с частотой повторения 20 МГц может быть реализована на расстоянии нескольких километров.
Теперь, когда исследователи получили доказательства того, что их портативное устройство может выполнять сложную квантовую криптографию, они планируют провести дальнейшее тестирование его надежности, стабильности и эффективности во время шифрования. Они также планируют использовать новый источник для выполнения QKD в реальных условиях, а не в лаборатории. «Теперь мы готовы преобразовать эти научные достижения в области квантовых двумерных материалов в технологически готовые продукты», — сказал руководитель проекта Игорь Ааронович.
