Ważne osiągnięcie fizyków

Kwantowa dystrybucja klucza coraz bliżej. Osiągnięto kamień milowy

Naukowcy stworzyli źródło pojedynczych fotonów o wysokiej czystości, które może działać w temperaturze pokojowej. Dzięki temu zespół procedur znanych jako kwantowa dystrybucja klucza (QKD) może być łatwiejszy w użyciu.

Uczeni z australijskiego Uniwersytetu Nowej Południowej Walii i Macquarie University opracował nowe urządzenie, które wytwarza ponad 10 milionów pojedynczych fotonów na sekundę – i to w temperaturze pokojowej. Zastosowali je w całkowicie przenośnym urządzeniu, które może realizować procedury QKD. Wyniki zostały opublikowane w Optica Letters.

Opracowaliśmy sposób generowania fotonów o wysokiej czystości na żądanie w skalowalnym i przenośnym systemie, który działa w temperaturze pokojowej. Nasze źródło pojedynczych fotonów może przyczynić się do rozwoju praktycznych systemów QKD i może być zintegrowane z wieloma rzeczywistymi zastosowaniami fotoniki kwantowej.

Helen Zeng z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii

Nowe źródło pojedynczych fotonów w unikalny sposób łączy dwuwymiarowy materiał znany jako heksagonalny azotek boru z elementem optycznym – półkulistą stałą soczewką immersyjną, która sześć razy zwiększa wydajność źródła.

Czym jest QKD?

Kwantowa dystrybucja klucza (QKD) to zespół procedur służących do przekazywania tajnych wiadomości z bezpieczeństwem zagwarantowanym przez prawa mechaniki kwantowej. Systemy QKD wymagają jednak stałych i niezmiennych źródeł, które imitują światło w postaci ciągu pojedynczych fotonów. Większość dostępnych obecnie źródeł pojedynczych fotonów nie działa dobrze w temperaturach innych niż bliskie zera absolutnego. O komercjalizację tej technologii zatem trudno.

Czytaj też: W polikryształach odkryto rzadki stan kwantowy. Nadchodzą lepsze ekrany LCD i precyzyjniejsze lasery

Mimo iż heksagonalny azotek boru stosowano wcześniej do tworzenia źródeł pojedynczych fotonów działających w temperaturze pokojowej, do tej pory nie udawało się osiągnąć satysfakcjonującej wydajności.

Większość metod stosowanych do ulepszania źródeł pojedynczych fotonów z azotku boru polega na precyzyjnym ustawieniu emitera lub zastosowaniu nanofabrykacji. To sprawia, że urządzenia są skomplikowane, trudne do skalowania i niełatwe do masowej produkcji.

Helen Zeng

Udało się to zmienić dzięki zastosowaniu stałej soczewki immersyjnej, która pozwala na wykrycie większej liczby fotonów. Soczewki takie są tanie i proste w wytworzeniu. Naukowcy połączyli źródło pojedynczych fotonów ze specjalnie stworzonym przenośnym mikroskopem konfokalnym, który może wykonywać QKD.

Nasze usprawnione urządzenie jest łatwiejsze w użyciu i znacznie mniejsze niż tradycyjne zestawy stołów optycznych, które często zajmują całe laboratoria. Dzięki temu system może być wykorzystywany w wielu różnych systemach obliczeń kwantowych. Można go również przystosować do pracy z istniejącą infrastrukturą telekomunikacyjną.

Helen Zeng

Testy nowego urządzenia wykazały, że może ono osiągnąć szybkość zbierania pojedynczych fotonów na poziomie 107 Hz przy zachowaniu doskonałej czystości. Wykazały również wyjątkową stabilność w czasie wielu godzin ciągłej pracy. Naukowcy zademonstrowali również zdolność systemu do realizacji QKD w realistycznych warunkach, wykazując, że proces z częstotliwością powtarzania 20 MHz byłby wykonalny na dystansie kilku kilometrów.