Enkeltfotonkilde baner vejen for praktisk kvantekryptering

Forskere har udviklet en ny enkeltfotonkilde med høj renhed, der kan fungere ved stuetemperatur. Kilden er et vigtigt skridt mod praktiske anvendelser af kvanteteknologi, såsom meget sikker kommunikation baseret på kvantenøgledistribution (QKD).

"Vi udviklede en on-demand måde at generere fotoner med høj renhed i et skalerbart og bærbart system, der fungerer ved stuetemperatur," sagde Helen Zeng, et medlem af forskerholdet fra University of Technology Sydney i Australien. "Vores enkeltfotonkilde kan fremme udviklingen af ​​praktiske QKD-systemer og kan integreres i en række af de virkelige kvantefotoniske applikationer."

I Optica Publishing Group-tidsskriftet Optics Letters , Zeng og kolleger fra Australiens University of New South Wales og Macquarie University beskriver deres nye enkeltfotonkilde og viser, at den kan producere over ti millioner enkeltfotoner i sekundet ved stuetemperatur. De inkorporerede også enkeltfotonkilden i en fuldt bærbar enhed, der kan udføre QKD.

Den nye enkeltfotonkilde kombinerer unikt et 2D-materiale kaldet hexagonal bornitrid med en optisk komponent kendt som en halvkugleformet solid immersionslinse, som øger kildens effektivitet med en faktor på seks.

Enkelte fotoner ved stuetemperatur

QKD tilbyder uigennemtrængelig kryptering til datakommunikation ved at bruge lysets kvanteegenskaber til at generere sikre tilfældige nøgler til kryptering og dekryptering af data. QKD-systemer kræver robuste og lyse kilder, der udsender lys som en streng af enkelte fotoner. De fleste af nutidens enkeltfotonkilder fungerer dog ikke godt, medmindre de betjenes ved kryogene temperaturer hundreder af grader under nul, hvilket begrænser deres praktiske funktion.

Selvom hexagonal bornitrid tidligere er blevet brugt til at skabe en enkelt-fotonkilde, der fungerer ved stuetemperatur, havde forskere indtil nu ikke været i stand til at opnå den nødvendige effektivitet til anvendelse i den virkelige verden. "De fleste metoder, der bruges til at forbedre hexagonale bornitrid-enkeltfotonkilder, er afhængige af præcis placering af emitteren eller brug af nano-fabrikation," sagde Zeng. "Dette gør enhederne komplekse, svære at skalere og ikke nemme at masseproducere."

Zeng og kolleger satte sig for at skabe en bedre løsning ved at bruge en solid immersionslinse til at fokusere de fotoner, der kommer fra enkeltfotonemitteren, så flere fotoner kan detekteres. Disse linser er kommercielt tilgængelige og nemme at fremstille.

Forskerne kombinerede deres nye enkeltfotonkilde med et specialbygget bærbart konfokalmikroskop, der kan måle de enkelte fotoner ved stuetemperatur, hvilket skaber et system, der kan udføre QKD. Enkeltfotonkilden og det konfokale mikroskop er anbragt i en robust pakke, der kun måler 500 x 500 millimeter og vejer omkring 10 kg. Pakken er også konstrueret til at håndtere vibrationer og vildfarent lys.

"Vores strømlinede enhed er lettere at bruge og meget mindre end traditionelle optiske bordopsætninger, som ofte fylder hele laboratorier," sagde Zeng. "Dette gør det muligt at bruge systemet med en række kvanteberegningssystemer. Det kan også tilpasses til at arbejde med eksisterende telekommunikationsinfrastruktur."

Demonstrering af kvantekryptografi

Test af den nye enkeltfotonkilde viste, at den kunne opnå en enkeltfotonopsamlingshastighed på 10 ⁷ Hz, mens den bibeholdt fremragende renhed - hvilket betyder, at hver puls havde en lav sandsynlighed for at indeholde mere end én foton. Den viste også enestående stabilitet over mange timers kontinuerlig drift. Forskerne demonstrerede også systemets evne til at udføre QKD under realistiske forhold, hvilket viste, at sikret QKD med 20 MHz gentagelseshastigheder ville være muligt over flere kilometer.

Nu hvor forskerne har etableret bevis for, at deres bærbare enhed kan udføre kompleks kvantekryptografi, planlægger de at udføre yderligere test af dens robusthed, stabilitet og effektivitet under kryptering. De planlægger også at bruge den nye kilde til at udføre QKD under virkelige forhold i stedet for inde i laboratoriet. "Vi er nu klar til at transformere disse videnskabelige fremskridt inden for kvante 2-D materialer til teknologiklare produkter," sagde Igor Aharonovich, der ledede projektet. + Udforsk yderligere

Perfekte fotoner føder ny kvanteprocessor