I ricercatori hanno sviluppato una nuova sorgente di fotoni singoli di elevata purezza che può funzionare a temperatura ambiente. La fonte è un passo importante verso le applicazioni pratiche della tecnologia quantistica, come la comunicazione altamente sicura basata sulla distribuzione della chiave quantistica (QKD).

"Abbiamo sviluppato un modo on-demand per generare fotoni con elevata purezza in un sistema scalabile e portatile che opera a temperatura ambiente", ha affermato Helen Zeng, membro del team di ricerca dell'Università di Tecnologia di Sydney in Australia. "La nostra sorgente a fotone singolo potrebbe far progredire lo sviluppo di sistemi QKD pratici e può essere integrata in una varietà di applicazioni fotoniche quantistiche del mondo reale."

Nella rivista Optica Publishing Group Optics Letters , Zeng e colleghi dell'Università australiana del New South Wales e della Macquarie University descrivono la loro nuova sorgente di fotoni singoli e mostrano che può produrre oltre dieci milioni di singoli fotoni al secondo a temperatura ambiente. Hanno anche incorporato la sorgente di un singolo fotone in un dispositivo completamente portatile in grado di eseguire la QKD.

La nuova sorgente a fotone singolo combina in modo univoco un materiale 2D chiamato nitruro di boro esagonale con un componente ottico noto come lente a immersione solida emisferica, che aumenta l'efficienza della sorgente di un fattore sei.

Singoli fotoni a temperatura ambiente

QKD offre una crittografia impenetrabile per la comunicazione dei dati utilizzando le proprietà quantistiche della luce per generare chiavi casuali sicure per la crittografia e la decrittografia dei dati. I sistemi QKD richiedono sorgenti robuste e luminose che emettano luce come una stringa di singoli fotoni. Tuttavia, la maggior parte delle odierne sorgenti a fotone singolo non funzionano bene a meno che non vengano utilizzate a temperature criogeniche centinaia di gradi sotto lo zero, il che ne limita la praticità.

Sebbene il nitruro di boro esagonale sia stato precedentemente utilizzato per creare una sorgente di un singolo fotone che opera a temperatura ambiente, fino ad ora i ricercatori non erano stati in grado di raggiungere l'efficienza necessaria per l'applicazione nel mondo reale. "La maggior parte degli approcci utilizzati per migliorare le sorgenti esagonali di nitruro di boro a fotone singolo si basano sul posizionamento preciso dell'emettitore o sull'utilizzo della nanofabbricazione", ha affermato Zeng. "Questo rende i dispositivi complessi, difficili da scalare e non facili da produrre in serie."

Zeng e colleghi hanno deciso di creare una soluzione migliore utilizzando una solida lente a immersione per mettere a fuoco i fotoni provenienti dall'emettitore di un singolo fotone, consentendo il rilevamento di più fotoni. Queste lenti sono disponibili in commercio e facili da fabbricare.

I ricercatori hanno combinato la loro nuova sorgente di fotoni singoli con un microscopio confocale portatile personalizzato in grado di misurare i singoli fotoni a temperatura ambiente, creando un sistema in grado di eseguire la QKD. La sorgente a fotone singolo e il microscopio confocale sono alloggiati all'interno di un robusto contenitore che misura solo 500 x 500 millimetri e pesa circa 10 chilogrammi. Il pacchetto è inoltre progettato per far fronte alle vibrazioni e alla luce diffusa.

"Il nostro dispositivo ottimizzato è più facile da usare e molto più piccolo delle tradizionali configurazioni di tavoli ottici, che spesso occupano interi laboratori", ha affermato Zeng. "Ciò consente al sistema di essere utilizzato con una gamma di schemi di calcolo quantistico. Potrebbe anche essere adattato per funzionare con l'infrastruttura di telecomunicazioni esistente."

Dimostrazione della crittografia quantistica

I test della nuova sorgente di fotoni singoli hanno mostrato che potrebbe raggiungere un tasso di raccolta di fotoni singoli di 10 ⁷ Hz mantenendo un'eccellente purezza, il che significa che ogni impulso aveva una bassa probabilità di contenere più di un fotone. Ha anche mostrato un'eccezionale stabilità per molte ore di funzionamento continuo. I ricercatori hanno anche dimostrato la capacità del sistema di eseguire la QKD in condizioni realistiche, dimostrando che una QKD sicura con frequenze di ripetizione di 20 MHz sarebbe fattibile per diversi chilometri.

Ora che i ricercatori hanno stabilito la prova che il loro dispositivo portatile può eseguire complesse crittografie quantistiche, hanno in programma di eseguire ulteriori test della sua robustezza, stabilità ed efficienza durante la crittografia. Hanno anche in programma di utilizzare la nuova sorgente per eseguire QKD in condizioni del mondo reale, piuttosto che all'interno del laboratorio. "Siamo ora pronti a trasformare questi progressi scientifici nei materiali 2-D quantistici in prodotti tecnologici pronti", ha affermato Igor Aharonovich, che ha guidato il progetto. + Esplora ulteriormente

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