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 altamente segura basada en la distribución de claves cuánticas (QKD).

«Desarrollamos una forma bajo demanda de generar fotones con alta pureza en un sistema escalable y portátil que funciona a temperatura ambiente», dijo Helen Zeng, miembro del equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Sydney en Australia. «Nuestra fuente de fotón único 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 Optics Letters de Optica Publishing Group, Zeng 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 de fotones individuales por segundo a temperatura ambiente. También incorporaron la fuente de un solo fotón en un dispositivo totalmente portátil que puede realizar QKD.

La nueva fuente de fotón único combina de manera única un material 2D llamado nitruro de boro hexagonal con un componente óptico conocido como lente de inmersión sólida hemisférica, que aumenta la eficiencia de la fuente en un factor de seis.

Fotones individuales a temperatura ambiente

QKD ofrece un 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 se operen a temperaturas criogénicas de cientos de grados bajo cero, lo que limita su practicidad.

Aunque el nitruro de boro hexagonal se ha utilizado anteriormente para crear una fuente de fotón único que funciona a temperatura ambiente, hasta ahora los investigadores no habían podido lograr la eficiencia necesaria para la aplicación en el mundo real. «La mayoría de los enfoques utilizados para mejorar las fuentes monofotónicas de nitruro de boro hexagonal se basan en el posicionamiento preciso del emisor o en el uso de nanofabricación», dijo Zeng. «Esto hace que los dispositivos sean complejos, difíciles de escalar y no fáciles 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 provenientes 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 personalizado que puede medir los fotones individuales a temperatura ambiente, creando un sistema que puede realizar QKD. La fuente de un solo fotón y el microscopio confocal están alojados dentro de un paquete robusto que mide solo 500 x 500 milímetros y pesa alrededor de 10 kilogramos. El paquete también está diseñado para lidiar con la vibración y la luz parásita.

«Nuestro dispositivo optimizado 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 un solo fotón mostraron que podía lograr una tasa de recolección de un solo fotón de 107 Hz mientras mantenía una excelente pureza, 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 a lo largo de varios kilómetros.

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