La fuente de fotón único allana el camino para el cifrado cuántico práctico

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

“Hemos desarrollado una forma bajo demanda de generar fotones de alta pureza en un sistema portátil escalable que funciona a temperatura ambiente”, dijo Helen Zeng, miembro del equipo de investigación de la Universidad de Tecnología de Sydney en Australia. «Nuestro fotón único fuente podría avanzar en el desarrollo de sistemas QKD prácticos y puede integrarse en una variedad de aplicaciones fotónicas cuánticas del mundo real».

En la revista Optica Publishing Group Letras ópticasZeng y sus colegas de la Universidad de Nueva Gales del Sur y la Universidad Macquarie de Australia 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 la fuente de un solo fotón en un dispositivo totalmente portátil capaz de realizar QKD.

La nueva fuente de fotones únicos combina de manera única un material 2D llamado nitruro de boro hexagonal con un componente óptico conocida como lente de inmersión sólida hemisférica, que aumenta seis veces la eficiencia de la fuente.

Fotones individuales a temperatura ambiente

QKD ofrece cifrado impenetrable para la comunicación 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 robustas y brillantes que emitan luz como una cadena de fotones individuales. Sin embargo, la mayoría de las fuentes de fotones individuales actuales no funcionan bien a menos que operen a temperaturas criogénicas de cientos de grados bajo cero, lo que limita su utilidad.

Aunque el nitruro de boro hexagonal ya se ha utilizado para crear una fuente de un solo fotón que funciona a temperatura ambiente, hasta ahora los investigadores no habían podido lograr la eficiencia necesaria para su aplicación en todo el mundo. “La mayoría de los enfoques utilizados para mejorar las fuentes de nitruro de boro hexagonal de un solo fotón se basan en el posicionamiento preciso del emisor o el uso de la nanofabricación”, dijo Zeng. «Esto hace que los dispositivos sean complejos, difíciles de escalar y difíciles de producir en masa».

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

Los investigadores combinaron su nueva fuente de fotones individuales con un microscopio confocal portátil hecho a la medida que puede medir fotones individuales a temperatura ambiente, creando un sistema capaz de realizar QKD. La fuente de un solo fotón y el microscopio confocal están alojados en una carcasa resistente que mide solo 500 x 500 milímetros y pesa alrededor de 10 kilogramos. La carcasa también está diseñada para hacer frente a las vibraciones y la luz parásita.

«Nuestro dispositivo simplificado es más fácil de usar y mucho más pequeño que las configuraciones de mesas ópticas tradicionales, que a menudo ocupan laboratorios completos», dijo Zeng. «Esto permite que el sistema se use con una variedad de esquemas de computación cuántica. También podría adaptarse para trabajar con la infraestructura de telecomunicaciones existente».

Demostración de criptografía cuántica

Las pruebas de la nueva fuente de fotones individuales mostraron que podía lograr una tasa de recolección de fotones individuales de 10⁷ Hz manteniendo una pureza excelente, lo que significa que cada pulso tenía una baja probabilidad de contener más de un fotón. También mostró 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 seguro con tasas de repetición de 20 MHz sería factible durante varios kilómetros.

Ahora que los investigadores han establecido pruebas de que su dispositivo portátil puede realizar criptografía cuántica compleja, planean realizar más pruebas sobre su solidez, estabilidad y eficiencia durante el cifrado. También planean usar la nueva fuente para realizar QKD en condiciones reales, en lugar de dentro del laboratorio. «Ahora estamos listos para transformar estos los cientificos progresan materiales 2D cuánticos en productos listos para la tecnología”, dijo Igor Aharonovich, quien dirigió el proyecto.