Pesquisadores desenvolveram uma nova fonte de fóton único de alta pureza que pode operar à temperatura ambiente. A fonte é um passo importante para aplicações práticas da tecnologia quântica, como comunicação altamente segura baseada na distribuição de chaves quânticas (QKD).
"Desenvolvemos uma maneira sob demanda de gerar fótons com alta pureza em um sistema escalável e portátil que opera em temperatura ambiente", disse Helen Zeng, membro da equipe de pesquisa da Universidade de Tecnologia de Sydney, na Austrália. “Nossa fonte de fóton único pode avançar no desenvolvimento de sistemas QKD práticos e pode ser integrada a uma variedade de aplicações fotônicas quânticas do mundo real”.

Na revista do Optica Publishing Group Optics Letters , Zeng e colegas da Universidade de Nova Gales do Sul da Austrália e da Universidade Macquarie descrevem sua nova fonte de fóton único e mostram que ela pode produzir mais de dez milhões de fótons únicos por segundo à temperatura ambiente. Eles também incorporaram a fonte de fóton único em um dispositivo totalmente portátil que pode executar QKD.

A nova fonte de fóton único combina exclusivamente um material 2-D chamado nitreto de boro hexagonal com um componente óptico conhecido como lente de imersão sólida hemisférica, que aumenta a eficiência da fonte por um fator de seis.

Fótons únicos à temperatura ambiente

O QKD oferece criptografia impenetrável para comunicação de dados usando as propriedades quânticas da luz para gerar chaves aleatórias seguras para criptografar e descriptografar dados. Os sistemas QKD requerem fontes robustas e brilhantes que emitem luz como uma sequência de fótons únicos. No entanto, a maioria das fontes de fóton único de hoje não funcionam bem, a menos que sejam operadas em temperaturas criogênicas centenas de graus abaixo de zero, o que limita sua praticidade.

Embora o nitreto de boro hexagonal tenha sido usado anteriormente para criar uma fonte de fóton único que opera à temperatura ambiente, até agora os pesquisadores não conseguiram atingir a eficiência necessária para a aplicação no mundo real. "A maioria das abordagens usadas para melhorar as fontes de um único fóton de nitreto de boro hexagonal dependem do posicionamento preciso do emissor ou do uso de nanofabricação", disse Zeng. “Isso torna os dispositivos complexos, difíceis de dimensionar e não fáceis de produzir em massa”.

Zeng e seus colegas decidiram criar uma solução melhor usando uma lente de imersão sólida para focar os fótons provenientes do emissor de fóton único, permitindo que mais fótons fossem detectados. Essas lentes estão disponíveis comercialmente e são fáceis de fabricar.

Os pesquisadores combinaram sua nova fonte de fóton único com um microscópio confocal portátil personalizado que pode medir os fótons únicos à temperatura ambiente, criando um sistema que pode realizar QKD. A fonte de fóton único e o microscópio confocal estão alojados dentro de um pacote robusto que mede apenas 500 x 500 milímetros e pesa cerca de 10 quilos. O pacote também foi projetado para lidar com vibração e luz difusa.

"Nosso dispositivo simplificado é mais fácil de usar e muito menor do que as configurações tradicionais de mesa óptica, que geralmente ocupam laboratórios inteiros", disse Zeng. "Isso permite que o sistema seja usado com uma variedade de esquemas de computação quântica. Ele também pode ser adaptado para trabalhar com a infraestrutura de telecomunicações existente."

Demonstrando criptografia quântica

Testes da nova fonte de fóton único mostraram que ela poderia atingir uma taxa de coleta de fóton único de 10 ⁷ Hz, mantendo excelente pureza - o que significa que cada pulso tinha uma baixa probabilidade de conter mais de um fóton. Ele também mostrou estabilidade excepcional ao longo de muitas horas de operação contínua. Os pesquisadores também demonstraram a capacidade do sistema de realizar QKD em condições realistas, mostrando que QKD seguro com taxas de repetição de 20 MHz seria viável ao longo de vários quilômetros.

Agora que os pesquisadores estabeleceram provas de que seu dispositivo portátil pode realizar criptografia quântica complexa, eles planejam realizar mais testes de sua robustez, estabilidade e eficiência durante a criptografia. Eles também planejam usar a nova fonte para realizar QKD em condições do mundo real, em vez de dentro do laboratório. “Agora estamos prontos para transformar esses avanços científicos em materiais quânticos 2-D em produtos prontos para a tecnologia”, disse Igor Aharonovich, que liderou o projeto. + Explorar mais

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