Des chercheurs ont mis au point une nouvelle source de photons uniques de haute pureté pouvant fonctionner à température ambiante. La source est une étape importante vers des applications pratiques de la technologie quantique, telles que la communication hautement sécurisée basée sur la distribution quantique de clés (QKD).
« Nous avons développé un moyen à la demande de générer des photons de haute pureté dans un système évolutif et portable qui fonctionne à température ambiante », a déclaré Helen Zeng, membre de l’équipe de recherche de l’Université de technologie de Sydney en Australie. « Notre source à photon unique pourrait faire progresser le développement de systèmes QKD pratiques et peut être intégrée dans une variété d’applications photoniques quantiques du monde réel. »
Dans la revue Optica Publishing Group Lettres optiques, Zeng et ses collègues de l’Université australienne de Nouvelle-Galles du Sud et de l’Université Macquarie décrivent leur nouvelle source de photons uniques et montrent qu’elle peut produire plus de dix millions de photons uniques par seconde à température ambiante. Ils ont également intégré la source à photon unique dans un appareil entièrement portable capable d’effectuer un QKD.
La nouvelle source à photon unique combine de manière unique un matériau 2D appelé nitrure de bore hexagonal avec un composant optique appelé lentille à immersion solide hémisphérique, qui multiplie par six l’efficacité de la source.
Photons uniques à température ambiante
QKD offre un chiffrement impénétrable pour la communication de données en utilisant les propriétés quantiques de la lumière pour générer des clés aléatoires sécurisées pour chiffrer et déchiffrer les données. Les systèmes QKD nécessitent des sources robustes et lumineuses qui émettent de la lumière sous la forme d’une chaîne de photons uniques. Cependant, la plupart des sources à photon unique d’aujourd’hui ne fonctionnent pas bien à moins qu’elles ne fonctionnent à des températures cryogéniques à des centaines de degrés en dessous de zéro, ce qui limite leur utilité.
Bien que le nitrure de bore hexagonal ait déjà été utilisé pour créer une source à photon unique fonctionnant à température ambiante, jusqu’à présent, les chercheurs n’avaient pas été en mesure d’atteindre l’efficacité nécessaire pour une application dans le monde réel. « La plupart des approches utilisées pour améliorer les sources à photon unique de nitrure de bore hexagonal reposent sur le positionnement précis de l’émetteur ou sur l’utilisation de la nano-fabrication », a déclaré Zeng. « Cela rend les appareils complexes, difficiles à mettre à l’échelle et difficiles à produire en masse. »
Zeng et ses collègues ont entrepris de créer une meilleure solution en utilisant une lentille à immersion solide pour focaliser les photons provenant de l’émetteur à photon unique, permettant ainsi de détecter davantage de photons. Ces lentilles sont disponibles dans le commerce et faciles à fabriquer.
Les chercheurs ont combiné leur nouvelle source de photons uniques avec un microscope confocal portable construit sur mesure qui peut mesurer les photons uniques à température ambiante, créant ainsi un système capable d’effectuer la QKD. La source à photon unique et le microscope confocal sont logés dans un boîtier robuste qui ne mesure que 500 x 500 millimètres et pèse environ 10 kilogrammes. Le boîtier est également conçu pour faire face aux vibrations et à la lumière parasite.
« Notre appareil simplifié est plus facile à utiliser et beaucoup plus petit que les configurations de tables optiques traditionnelles, qui occupent souvent des laboratoires entiers », a déclaré Zeng. « Cela permet au système d’être utilisé avec une gamme de schémas d’informatique quantique. Il pourrait également être adapté pour fonctionner avec l’infrastructure de télécommunications existante. »
Démonstration de la cryptographie quantique
Les tests de la nouvelle source à photon unique ont montré qu’elle pouvait atteindre un taux de collecte de photon unique de 107 Hz tout en conservant une excellente pureté, ce qui signifie que chaque impulsion avait une faible probabilité de contenir plus d’un photon. Il a également montré une stabilité exceptionnelle pendant de nombreuses heures de fonctionnement continu. Les chercheurs ont également démontré la capacité du système à effectuer un QKD dans des conditions réalistes, montrant que le QKD sécurisé avec des taux de répétition de 20 MHz serait réalisable sur plusieurs kilomètres.
Maintenant que les chercheurs ont établi la preuve que leur appareil portable peut effectuer une cryptographie quantique complexe, ils prévoient d’effectuer d’autres tests sur sa robustesse, sa stabilité et son efficacité pendant le cryptage. Ils prévoient également d’utiliser la nouvelle source pour effectuer QKD dans des conditions réelles, plutôt qu’à l’intérieur du laboratoire. « Nous sommes maintenant prêts à transformer ces avancées scientifiques dans les matériaux 2D quantiques en produits prêts pour la technologie », a déclaré Igor Aharonovich, qui a dirigé le projet.
Helen Zhi Jie Zeng et al, Source intégrée à photon unique à température ambiante pour la distribution de clé quantique, Lettres optiques (2022). DOI : 10.1364/OL.454450