新型高性能單光子源（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

近日，在《Optics Letters》（光學(xué)快報）上，來自澳大利亞新南威爾士大學(xué)和麥考瑞大學(xué)的研究人員們展示了他們最新研發(fā)的一種可以在室溫下工作的高性能單光子源：在室溫下每秒可以產(chǎn)生超過一千萬個單光子。

該論文作者、澳大利亞悉尼科技大學(xué)量子材料和光子學(xué)團隊成員Helen Zeng表示：“這是一種按需生產(chǎn)單光子的方法：在室溫下運行的可擴展便攜式系統(tǒng)中生成高性能光子。我們的單光子源可以推動實用QKD（量子密鑰分發(fā)）系統(tǒng)的開發(fā)，并將集成到各種現(xiàn)實世界的光量子應(yīng)用中?！?/p>

該團隊透露，新的單光子源通過結(jié)合六方氮化硼二維材料和半球形固體浸沒透鏡光學(xué)元件，可將光源的效率提高六倍。研究人員還將單光子源整合到可執(zhí)行QKD的完全便攜式設(shè)備中，效果顯著。

室溫下的單光子

在該研究中，研究人員構(gòu)建的QKD系統(tǒng)通過利用光量子特性，生成用于加密和解密數(shù)據(jù)的安全隨機密鑰，從而為數(shù)據(jù)通信提供不可穿透的加密保護。而這需要強大而明亮的單光子源。

該研究團隊表示，目前的大多數(shù)單光子源性能不佳，并且需要在超低溫下運行，這限制了它們的實用性。

????六方氮化硼材料很早就被用于制造在室溫下工作的單光子源，但在此之前尚未達到實際應(yīng)用所需的性能。Zeng表示：“大多數(shù)用于改進六方氮化硼單光子源的方法，都依賴于精確定位發(fā)射器或采用納米技術(shù)，這就讓設(shè)備變得復(fù)雜、難以擴展以及不容易大規(guī)模生產(chǎn)?！?/p>

現(xiàn)在，該團隊嘗試創(chuàng)建出一個更好的解決方案：采用已經(jīng)商業(yè)化的固體浸沒透鏡（SIL）來聚焦由單光子發(fā)射器發(fā)射的光子，從而檢測到更多的光子。

????研究人員將他們的新型單光子源與定制的便攜式共聚焦光學(xué)顯微鏡（該顯微鏡可以在室溫下測量單光子）相結(jié)合，創(chuàng)建了一個可以執(zhí)行QKD的系統(tǒng)。它們被集成在一個堅固的封裝箱內(nèi)，尺寸僅為500x500mm，重約10Kg。該封裝箱還被設(shè)計用于處理振動和雜散光。

??? Zeng說道：“相比傳統(tǒng)的光學(xué)平臺裝置，我們的設(shè)備更易于使用，而且體積更小。同時它還可以與一系列量子計算方案兼容，并適用于現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)設(shè)施。”

演示量子密碼學(xué)

研究小組對新單光子源進行了測試。結(jié)果表明，它可以實現(xiàn)107 Hz的單光子收集率，同時保持出色的“純度”——每個脈沖包含多個光子的概率很低。與此同時，在連續(xù)運行數(shù)小時后它仍能表現(xiàn)出優(yōu)越的穩(wěn)定性。
研究人員還展示了該系統(tǒng)在現(xiàn)實條件下執(zhí)行QKD任務(wù)的能力：QKD系統(tǒng)在20MHz的光脈沖重復(fù)速率上實現(xiàn)幾千米范圍內(nèi)的加密是可行的。
該研究團隊表示，目前已證明該便攜式設(shè)備可以實現(xiàn)復(fù)雜的量子密碼學(xué)測試，未來他們將對其在加密期間的魯棒性、穩(wěn)定性和效率進行進一步測試。同時，他們還計劃測試新型單光子源能否在現(xiàn)實條件下執(zhí)行QKD。
負責(zé)該項目的Igor Aharonovich教授表示：“我們現(xiàn)在準備將量子二維材料的這些科學(xué)突破性研究成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)成熟的產(chǎn)品?！?br>

原文鏈接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/03/220323125124.htm

文：Science News

編譯：宇昊

編輯：慕一
注：本文編譯自“Science News”，不代表量子前哨觀點。