La fuente de fotón único allana el camino para la criptografía cuántica práctica

Los investigadores han desarrollado una nueva fuente de un solo fotón de alta pureza que puede funcionar a temperatura ambiente. La fuente es un paso importante hacia las aplicaciones prácticas de la tecnología cuántica, como la comunicación de alta seguridad basada en la distribución de claves cuánticas (QKD).

«Hemos desarrollado un método bajo demanda para generar fotones de alta pureza en un sistema escalable y portátil que funciona a temperatura ambiente», dijo Helen Zing, miembro del equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Sydney en Australia. «para nosotros fotón único La fuente puede conducir al desarrollo de sistemas QKD prácticos y puede integrarse en una variedad de aplicaciones fotónicas cuánticas del mundo real”.

En Optica Publishing Group Letras de ópticaZeng y sus colegas de la Universidad Australiana de Nueva Gales del Sur y la Universidad Macquarie describen su nueva fuente de fotones individuales y muestran que puede producir más de diez millones fotones individuales por segundo a temperatura ambiente. También integraron una única fuente de fotones en un dispositivo totalmente portátil que puede realizar QKD.

La nueva fuente de un solo fotón combina de manera única un material bidimensional llamado nitruro de boro hexagonal con el componente óptico Se conoce como lente de inmersión sólida hemisférica, que aumenta seis veces la eficiencia de la fuente.

Fotones individuales a temperatura ambiente

QKD proporciona un cifrado impenetrable para las comunicaciones de datos mediante el uso de las propiedades cuánticas de la luz para generar claves aleatorias seguras para cifrar y descifrar datos. Los sistemas QKD requieren fuentes potentes y brillantes que emitan luz como una serie de fotones individuales. Sin embargo, la mayoría de las fuentes de fotones individuales actuales no funcionan bien a menos que funcionen a temperaturas gélidas de cientos de grados bajo cero, lo que limita su eficacia.

Aunque el nitruro de boro hexagonal se ha utilizado anteriormente para crear una fuente de fotón único que funciona a temperatura ambiente, los investigadores aún no han podido lograr las eficiencias necesarias para la aplicación en el mundo real. «La mayoría de los métodos utilizados para mejorar las fuentes monofotónicas de nitruro de hexaboro se basan en el posicionamiento preciso del emisor o en el uso de la nanofabricación», dijo Zeng. «Esto hace que los dispositivos sean complejos, difíciles de medir y no fáciles de producir en masa».

Zeng y sus colegas se propusieron encontrar una mejor solución mediante el uso de una lente avellanada sólida para enfocar los fotones provenientes de un solo emisor de fotones, lo que permite detectar más fotones. Estas lentes están disponibles comercialmente y son fáciles de fabricar.

Los investigadores han combinado una nueva fuente de fotones individuales con un microscopio confocal portátil especialmente diseñado que puede medir fotones individuales en Temperatura ambientey crear un sistema que pueda implementar QKD. La fuente de fotones individuales y el microscopio confocal están alojados dentro de un paquete robusto que mide solo 500 x 500 milímetros y pesa aproximadamente 10 kg. El haz también está diseñado para manejar la vibración y la luz parásita.

“Nuestros dispositivos simplificados son más fáciles de usar y mucho más pequeños que los dispositivos de mesa óptica tradicionales, que a menudo ocupan laboratorios completos”, dijo Zeng. «Esto permite que el sistema se utilice con una variedad de esquemas de computación cuántica. También se puede adaptar para trabajar con la infraestructura de telecomunicaciones existente».

Mostrar codificación cuántica

Las pruebas en la nueva fuente de fotones individuales mostraron que puede lograr una tasa de recolección de fotones individuales de 10⁷ Hz manteniendo una pureza excelente, lo que significa que cada pulso tiene una baja probabilidad de contener más de un fotón. También demostró una estabilidad excepcional durante muchas horas de funcionamiento continuo. Los investigadores también demostraron la capacidad del sistema para realizar QKD en condiciones realistas, lo que demuestra que QKD garantizado a tasas de repetición de 20 MHz sería posible a lo largo de varios kilómetros.

Ahora que los investigadores han demostrado que sus dispositivos móviles pueden realizar criptografía cuántica compleja, planean realizar más pruebas de su fuerza, estabilidad y eficiencia durante la codificación. También planean usar la nueva fuente para realizar QKD en condiciones del mundo real, en lugar de en un laboratorio. Ahora estamos listos para cambiar estas cosas. Progreso cientifico «En materiales cuánticos 2D en productos listos para la tecnología», dijo Igor Aharonovich, quien dirigió el proyecto.