Enfotonkällan och det konfokala mikroskopet är inrymt i en robust förpackning som bara mäter 500 x 500 millimeter och väger cirka 10 kg. Kredit:Helen Zeng, University of Technology Sydney
Forskare har utvecklat en ny enkelfotonkälla med hög renhet som kan fungera vid rumstemperatur. Källan är ett viktigt steg mot praktiska tillämpningar av kvantteknologi, såsom mycket säker kommunikation baserad på kvantnyckeldistribution (QKD).
"Vi utvecklade ett on-demand sätt att generera fotoner med hög renhet i ett skalbart och bärbart system som fungerar vid rumstemperatur", säger Helen Zeng, en medlem av forskargruppen från University of Technology Sydney i Australien. "Vår enfotonkälla kan främja utvecklingen av praktiska QKD-system och kan integreras i en mängd verkliga kvantfotoniska tillämpningar."
I Optica Publishing Group-tidskriften Optics Letters , Zeng och kollegor från Australiens University of New South Wales och Macquarie University beskriver sin nya enfotonkälla och visar att den kan producera över tio miljoner enstaka fotoner per sekund vid rumstemperatur. De inkorporerade också singelfotonkällan i en fullt bärbar enhet som kan utföra QKD.
Den nya enfotonkällan kombinerar på ett unikt sätt ett 2D-material som kallas hexagonal bornitrid med en optisk komponent som kallas en halvsfärisk solid immersionslins, vilket ökar källans effektivitet med en faktor sex.
Enstaka fotoner vid rumstemperatur
QKD erbjuder ogenomtränglig kryptering för datakommunikation genom att använda ljusets kvantegenskaper för att generera säkra slumpmässiga nycklar för kryptering och dekryptering av data. QKD-system kräver robusta och ljusa källor som avger ljus som en sträng av enstaka fotoner. Men de flesta av dagens enfotonkällor fungerar inte bra om de inte används vid kryogena temperaturer hundratals grader under noll, vilket begränsar deras praktiska funktion.
Även om hexagonal bornitrid tidigare har använts för att skapa en enfotonkälla som fungerar vid rumstemperatur, har forskare hittills inte kunnat uppnå den effektivitet som krävs för tillämpning i verkligheten. "De flesta tillvägagångssätt som används för att förbättra hexagonala bornitrid-enfotonkällor är beroende av exakt positionering av sändaren eller användning av nanotillverkning", säger Zeng. "Detta gör enheterna komplexa, svåra att skala och inte lätta att massproducera."
Zeng och kollegor satte sig för att skapa en bättre lösning genom att använda en fast nedsänkningslins för att fokusera fotonerna som kommer från singelfotonemittern, vilket gör att fler fotoner kan detekteras. Dessa linser är kommersiellt tillgängliga och lätta att tillverka.
Forskarna kombinerade sin nya enfotonkälla med ett specialbyggt bärbart konfokalmikroskop som kan mäta de enskilda fotonerna vid rumstemperatur, vilket skapar ett system som kan utföra QKD. Enfotonkällan och det konfokala mikroskopet är inrymt i en robust förpackning som bara mäter 500 x 500 millimeter och väger cirka 10 kg. Paketet är också konstruerat för att hantera vibrationer och ströljus.
"Vår strömlinjeformade enhet är enklare att använda och mycket mindre än traditionella optiska bordsinställningar, som ofta tar upp hela laboratorier", säger Zeng. "Detta gör att systemet kan användas med en rad kvantberäkningsscheman. Det kan också anpassas för att fungera med befintlig telekommunikationsinfrastruktur."
Demonstrera kvantkryptografi
Tester av den nya enfotonkällan visade att den kunde uppnå en enfotoninsamlingshastighet på 10 7 Hz samtidigt som den bibehöll utmärkt renhet - vilket betyder att varje puls hade en låg sannolikhet att innehålla mer än en foton. Den visade också exceptionell stabilitet under många timmars kontinuerlig drift. Forskarna demonstrerade också systemets förmåga att utföra QKD under realistiska förhållanden, vilket visade att säker QKD med 20 MHz repetitionshastigheter skulle vara genomförbar över flera kilometer.
Nu när forskarna har etablerat bevis på att deras bärbara enhet kan utföra komplex kvantkryptografi, planerar de att utföra ytterligare tester av dess robusthet, stabilitet och effektivitet under kryptering. De planerar också att använda den nya källan för att utföra QKD i verkliga förhållanden, snarare än inne i labbet. "Vi är nu redo att omvandla dessa vetenskapliga framsteg inom 2D-kvantmaterial till teknologifärdiga produkter", säger Igor Aharonovich, som ledde projektet. + Utforska vidare
