Sukurtas rekordinis pavienių fotonų šaltinis, galintis per sekundę sukurti milijardus kvantinių dalelių - atsiveria visiškai naujos saugios komunikacijos galimybės

Kvantinė kriptografija siūlo absoliučiai saugią komunikaciją. Pagrindinis tokios komunikacijos komponentas yra pavienių fotonų sekos. Informacija gali būti saugoma šių šviesos dalelių kvantinėse būsenose ir perduodama dideliais atstumais. Ateityje nutolę kvantiniai procesoriai komunikuos tarpusavyje pavieniais fotonais. O gal ir pačiuose procesoriuose fotonai bus naudojami kaip skaičiavimo bitai.

Tačiau nieko iš tų dalykų nepavyktų be efektyvaus pavienių fotonų šaltinio. Prof. Richard Warburton, Natasha Tomm ir Dr. Alisa Javadi iš Bazelio universiteto kartu su kolegomis iš Bochumo, žurnale Nature Nanotechnology rašo apie sukurtą pavienių fotonų šaltinį, efektyvumu gerokai lenkiantį ankstesnes sistemas.

„Piltuvėliu“ nukreipiamos šviesos dalelės

Kiekvienas fotonas sukuriamas, puslaidininkio viduje sužadinant vieną „dirbtinį atomą“ (kvantinį tašką). Fotonai sklinda visomis įmanomomis kryptimis, taigi didelė jų dalis prarandama. Pristatomame šaltinyje tyrėjai šią problemą išsprendė, kvantinį tašką padėdami „piltuvėlyje“, nukreipiančiame visus fotonus reikiama kryptimi.

Šis „piltuvėlis“ yra tikra tyrėjų komandos inovacija: mikroertmė sugaudo beveik visus fotonus ir nukreipia juos į šviesolaidį. Fotonai, kurių ilgis maždaug du centimetrai, pasiekia optinės gijos galą.

Visos sistemos efektyvumas – tai yra, tikimybė, kad sužadintas kvantinis taškas sukurs panaudojamą fotoną – yra 57 procentai, kas daugiau nei du kartus viršija ankstesnių pavienių fotonų šaltinių rodiklį. „Tai iš tiesų svarbus momentas,“ aiškina straipsnio vyr. autorius Richardas Warburtonas. „Prieš metus ar du išsiaiškinome, kad iš principo tai yra įmanoma. Dabar mums pavyko savo idėjas įgyvendinti praktiškai.“

Gigantiškas skaičiavimo galios padidėjimas

Tokio efektyvumo padidėjimo pasekmės yra labai svarbios, prideda Warburtonas: „vieno fotono sukūrimo efektyvumą padidinus dvigubai, bendras efektyvumas, tarkime, 20 fotonų sekos, padidėja milijoną kartų. Ateityje ketiname savo atskirų fotonų šaltinį dar labiau pagerinti: norėtume jį supaprastinti ir pritaikyti kurioje nors iš daugybės kvantinės kriptografijos, kvantinio skaičiavimo sričių ir kitose technologijose.“

University of Basel
scitechdaily.com

Nuoroda: „A bright and fast source of coherent single photons“ by Natasha Tomm, Alisa Javadi, Nadia Olympia Antoniadis, Daniel Najer, Matthias Christian Löbl, Alexander Rolf Korsch, Rüdiger Schott, Sascha René Valentin, Andreas Dirk Wieck, Arne Ludwig and Richard John Warburton, 28 January 2021, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-020-00831-x

The project was funded by the Swiss National Science Foundation, the National Center of Competence in Research „Quantum Science and Technology“ (NCCR QSIT), and the European Union under the Horizon2020 programme.