Průlom v kvantové komunikaci: Stávající optické sítě jsou nyní otevřené pro ultra-bezpečné signály

Vědci z Institutu Nielse Bohra dosáhli významného průlomu, když se jim podařilo poslat jednotlivé fotony – které nelze kopírovat ani dělit, a jsou tak inherentně bezpečné – stávajícími sítěmi optických vláken.

Vědci z Institutu Nielse Bohra dosáhli významného průlomu, když se jim podařilo poslat jednotlivé fotony – které nelze kopírovat ani dělit, a jsou tak inherentně bezpečné – stávajícími sítěmi optických vláken. Tento objev otevírá širokou škálu aplikací spoléhajících na bezpečnou kvantovou informaci.

Kvantové tečky jsou dosud nepřekonatelné ve své schopnosti generovat koherentní jednotlivé fotony, které jsou klíčové pro kvantovou komunikaci. Problémem však bylo, že nejlepší kvantové tečky fungovaly pouze na vlnových délkách kolem 930 nm, což je výrazně méně než vlnové délky kompatibilní s telekomunikacemi, které začínají na 1260 nm. Pouze tyto delší vlnové délky lze použít k distribuci fotonů nesoucích informaci, a dosud to bylo omezeno na méně optimální platformy. Vědci se nyní podařilo vytvořit nový typ kvantové tečky, který využívá to nejlepší z obou světů.

Dlouho se vědci pokoušeli pracovat přímo v telekomunikačním pásmu, ale fotony produkované na těchto vlnových délkách byly vždy velmi „šumivé“, jak vysvětluje Leonardo Midolo. „Šumivé v tomto kontextu znamená, že nelze generovat jeden foton za druhým se stejnými vlastnostmi. Fotony musí být dokonale identické a dosažení této úrovně kvantové koherence v telekomunikačním pásmu se ukázalo jako extrémně náročné.“ Tým Leonarda Midola se však podařilo překonat dvě hlavní výzvy najednou: jejich fotony jsou nyní koherentní a identické a jsou emitovány přímo v původním telekomunikačním pásmu (kolem 1300 nm), tedy na stejné vlnové délce, jakou používají dnešní standardní optické sítě. To otevírá cestu k propojení fotonických kvantových technologií se stávající komunikační infrastrukturou.

Tento pokrok je silně závislý na spolupráci s výzkumnou skupinou v německém Bochumi, která optimalizovala růst těchto ultra-nízkošumových kvantových tečkových emitérů. „Na Institutu Nielse Bohra pak používáme pokročilou nanofabrikaci v naší čisté místnosti k vytváření vzorů těchto materiálů do kvantových fotonických obvodů,“ dodává Marcus Albrechtsen, jeden z hlavních autorů studie. „Vyrábíme nanočipy a testujeme je lasery při nízkých teplotách, abychom potvrdili, že emitují vysoce koherentní jednotlivé fotony.“

Stejně důležité je, že fotonické integrované obvody, čipové optické obvody, které miniaturizují složitá optická zařízení, se běžně vyrábějí z křemíku. Křemík je nejběžnější a nákladově nejefektivnější materiál pro řízení a směrování světla na čipu. Křemík však absorbuje většinu světla na vlnových délkách pod 1100 nanometrů, což dosud bránilo integraci infračervených emitérů, jako jsou kvantové tečky, do těchto fotonických čipů. Možnost vytvářet koherentní, identické fotony pracující na 1300 nm tak umožňuje přímé vložení kvantových světelných zdrojů do komerčních křemíkových fotonických čipů.