Onderzoekers hebben een nieuwe hoogzuivere enkelvoudige fotonbron ontwikkeld die bij kamertemperatuur kan werken. De bron is een belangrijke stap naar praktische toepassingen van kwantumtechnologie, zoals zeer veilige communicatie op basis van kwantumsleuteldistributie (QKD).

"We hebben een on-demand manier ontwikkeld om fotonen met een hoge zuiverheid te genereren in een schaalbaar en draagbaar systeem dat werkt bij kamertemperatuur", zegt Helen Zeng, een lid van het onderzoeksteam van de University of Technology Sydney in Australië. "Onze single-photon source zou de ontwikkeling van praktische QKD-systemen kunnen bevorderen en kan worden geïntegreerd in een verscheidenheid aan echte kwantumfotonische toepassingen."

In het tijdschrift Optica Publishing Group Optics Letters , Zeng en collega's van de Australische Universiteit van New South Wales en Macquarie University beschrijven hun nieuwe enkelvoudige fotonbron en laten zien dat deze meer dan tien miljoen enkelvoudige fotonen per seconde kan produceren bij kamertemperatuur. Ze hebben ook de enkelvoudige fotonbron ingebouwd in een volledig draagbaar apparaat dat QKD kan uitvoeren.

De nieuwe enkelvoudige fotonbron combineert op unieke wijze een 2D-materiaal genaamd hexagonaal boornitride met een optische component die bekend staat als een halfronde solide immersielens, die de efficiëntie van de bron met een factor zes verhoogt.

Enkele fotonen bij kamertemperatuur

QKD biedt ondoordringbare codering voor datacommunicatie door de kwantumeigenschappen van licht te gebruiken om veilige willekeurige sleutels te genereren voor het coderen en decoderen van gegevens. QKD-systemen hebben robuuste en heldere bronnen nodig die licht uitstralen als een reeks enkele fotonen. De meeste van de hedendaagse enkelfotonbronnen presteren echter niet goed tenzij ze worden gebruikt bij cryogene temperaturen van honderden graden onder nul, wat hun bruikbaarheid beperkt.

Hoewel eerder hexagonaal boornitride is gebruikt om een ​​enkelvoudige fotonbron te creëren die bij kamertemperatuur werkt, waren onderzoekers er tot nu toe niet in geslaagd om de efficiëntie te bereiken die nodig is voor toepassing in de echte wereld. "De meeste benaderingen die worden gebruikt om hexagonale boornitride-single-fotonbronnen te verbeteren, zijn afhankelijk van het nauwkeurig positioneren van de emitter of het gebruik van nanofabricage", zei Zeng. "Dit maakt de apparaten complex, moeilijk schaalbaar en niet gemakkelijk om in massa te produceren."

Zeng en collega's gingen op zoek naar een betere oplossing door een solide immersielens te gebruiken om de fotonen die afkomstig zijn van de enkele foton-emitter te focussen, waardoor meer fotonen kunnen worden gedetecteerd. Deze lenzen zijn in de handel verkrijgbaar en gemakkelijk te vervaardigen.

De onderzoekers combineerden hun nieuwe enkele fotonbron met een op maat gemaakte draagbare confocale microscoop die de enkele fotonen bij kamertemperatuur kan meten, waardoor een systeem ontstond dat QKD kan uitvoeren. De enkelvoudige fotonbron en confocale microscoop zijn ondergebracht in een robuust pakket dat slechts 500 x 500 millimeter meet en ongeveer 10 kilogram weegt. Het pakket is ook ontworpen om trillingen en strooilicht tegen te gaan.

"Ons gestroomlijnde apparaat is gebruiksvriendelijker en veel kleiner dan traditionele optische tafelopstellingen, die vaak hele laboratoria in beslag nemen", zegt Zeng. "Hierdoor kan het systeem worden gebruikt met een reeks kwantumcomputerschema's. Het kan ook worden aangepast om te werken met bestaande telecommunicatie-infrastructuur."

Kwantumcryptografie demonstreren

Tests van de nieuwe single-photon source toonden aan dat deze een single-photon collection rate van 10 ⁷ kon halen Hz met behoud van een uitstekende zuiverheid, wat betekent dat elke puls een lage kans had om meer dan één foton te bevatten. Het vertoonde ook uitzonderlijke stabiliteit gedurende vele uren continu gebruik. De onderzoekers toonden ook aan dat het systeem QKD onder realistische omstandigheden kan uitvoeren, wat aantoont dat beveiligde QKD met 20 MHz-herhalingsfrequenties over meerdere kilometers haalbaar zou zijn.

Nu de onderzoekers het bewijs hebben geleverd dat hun draagbare apparaat complexe kwantumcryptografie kan uitvoeren, zijn ze van plan om de robuustheid, stabiliteit en efficiëntie ervan tijdens codering verder te testen. Ze zijn ook van plan om de nieuwe bron te gebruiken om QKD uit te voeren in echte omstandigheden, in plaats van in het laboratorium. "We zijn nu klaar om deze wetenschappelijke vooruitgang in kwantum 2-D-materialen om te zetten in technologieklare producten", zei Igor Aharonovitsj, die het project leidde. + Verder verkennen

Perfecte fotonen voeden nieuwe kwantumprocessor