Исследователи разработали первый источник одиночных фотонов, который может эффективно работать при комнатной температуре. Устройство является важным шагом на пути к построению защищенных сетей связи на основе квантового распределения ключей. Тестовый образец позволил успешно передать информацию на расстояние в несколько км.

Источник одиночных фотонов, разработанный австралийскими физиками, может производить более 10 млн. одиночных фотонов в секунду при комнатной температуре. Устройство использует гексагональный нитрид бора и полусферическую твердую иммерсионную линзу. По словам ученых, объединение двух этих элементов повысило эффективность работы источника в шесть раз.

Гексагональный нитрид бора и ранее использовался для создания источника одиночных фотонов, который может работать при комнатной температуре, отмечают исследователи. Однако до сих пор никому не удавалось достичь эффективности, необходимой для практического применения устройства.

«Как правило, для улучшения источников на основе нитрида бора используют точное позиционирование излучателя или нанотехнологии, — отмечает Хелен Цзен, исследователь из Технологического университета Сиднея и соавтор работы. — Это делает устройства сложными, трудно масштабируемыми и недоступными для массового производства».

Вместо этого Цзен и её коллеги использовали твердую иммерсионную линзу для фокусировки фотонов, исходящих от однофотонного излучателя. Эти линзы коммерчески доступны и просты в изготовлении.

Исследователи объединили свой новый источник одиночных фотонов с изготовленным на заказ портативным конфокальным микроскопом, который измеряет отдельные фотоны при комнатной температуре. Разработанная система может выполнять шифрование на основе квантовых распределенных ключей. Источник одиночных фотонов и конфокальный микроскоп размещены в прочном корпусе размером всего 50×50 см. Вес устройства около 10 кг. Корпус устройства защищает источник от вибраций и рассеянного света.

Изображение: Хелен Цзэн, Технологический университет Сиднея

«Наше устройство проще в использовании и намного меньше, чем традиционные оптические столы, которые занимают целые лаборатории, — говорит Цзэн. — Его можно использовать с системами квантовых вычислений и адаптировать для работы с существующей телекоммуникационной инфраструктурой».

Испытания нового источника одиночных фотонов, по словам разработчиков, показали, что он может достигать скорости сбора одиночных фотонов 10,7 Гц, сохраняя при этом превосходную чистоту. Это значит, что вероятность передачи в одном импульсе нескольких фотонов крайне мала. Устройство показало стабильную работу в течение нескольких часов.

Ученые также продемонстрировали способность устройства выполнять квантовое шифрование. Информация, защищенная на основе квантового распределения ключей с частотой повторения 20 МГц, была успешно передана на расстояние нескольких километров от источника.

Квантовое распределение ключей представляет собой метод защиты информации, устойчивый к взлому. Квантовые свойства света используются для шифрования и дешифровки данных. Для построения таких систем требуются надежные и яркие источники, излучающие свет в виде цепочки одиночных фотонов. Большинство современных однофотонных источников качественно работают только при криогенных температурах в сотни градусов ниже нуля, что ограничивает возможности практического применения таких устройств.