Источник одиночных фотонов на основе монослоев WSe2 для квантовой коммуникации

Введение

Твердотельные источники одиночных фотонов являются перспективными для использования в квантовых системах передачи информации благодаря удобству интеграции. Наибольший интерес вызывают реализации на основе полупроводниковых квантовых точек (КТ) и квантовых центров окраски в алмазе. В сравнении с ними источники на основе монослоев дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ) обладают рядом технологических преимуществ: относительно простое и недорогое изготовление, возможность контроля расположения квантовых излучателей и настройки экситонных свойств, а также сильная восприимчивость к внешней деформации. Кроме того, источники на основе ДПМ охватывают телекоммуникационные спектральные окна, сосредоточенные вблизи длин волн 850, 1300 и 1550 нм.

Чтобы продемонстрировать конкурентоспособность источника на основе монослоев WSe₂ (селенида вольфрама), в работе с его использованием реализуется схема квантового распределения ключей (КРК) по протоколу BB84, КРК сравнивается по производительности с передовыми реализациями на основе других твердотельных источников.

Эксперимент

Локализованные квантовые излучатели расположены в предварительно отслоенной пленке WSe₂, перенесенной на сапфировую подложку с наноструктурированным серебряным покрытием. Образованные неровностями точки деформации пленки являются центрами экситонной эмиссии. Излучатели активируются импульсным диодным лазером 660 нм LDH-P-650 (PicoQuant GmbH). Затем излучение подвергается спектральной и пространственной фильтрации.

Установка КРК показана на рисунке 1а. Подготовка одиночных фотонов в четырех различных состояниях поляризации для протокола BB84 реализована в контроллере поляризации волокна в сочетании с призмой Глана – Томпсона. Кубиты направляются к приемнику (Боб) по короткому каналу свободного пространства, регулируемый аттенюатор имитирует потери при передаче.

Приемник включает в себя поляризационный декодер четырех состояний с пассивным выбором базиса, детекторы одиночных фотонов COUNT-T100-FC (Laser Components GmbH) и время-цифровой преобразователь quTAG (qutools GmbH), синхронизированный с возбуждающим лазером. Характеристики детекторов: квантовая эффективность 80% при 810 нм, разрешение 500 пс, частота темновых отсчетов 20 Гц.

Рисунок 1 – Экспериментальная схема. б – Спектры излучения источника: до спектральной фильтрации и ввода в SM оптоволокно (синий) и после (оранжевый). в – Гистограммы автокорреляции g⁽²⁾ на тактовых частотах 2,5, 5,0 и 10,0 МГц

Гистограммы автокорреляции второго порядка g⁽²⁾ записаны для трех тактовых частот (рисунок 1 (в)) с учетом сигналов во всех четырех каналах. Все гистограммы демонстрируют высокую степень чистоты источника. Соответствующие значения g⁽²⁾(0): 0,16 (2,5 МГц), 0,17 (5,0 МГц) и 0,25 (10,0 МГц).

Как видно по графику на рисунке 2 (а), на частоту обнаружения фотонов и g⁽²⁾ (0) оказывает сильное влияние мощность накачки. Частота обнаружений достигает максимума (66,95 кГц) при мощности насыщения (P_sat). Минимальное значение g⁽²⁾(0) = 0,127 достигается при 0,37P_sat. Хотя g⁽²⁾(0) увеличивается при сильной накачке, наибольшая скорость генерации секретного ключа и максимальные допустимые потери передачи ожидаются при P_sat (рисунок 2 (в)) за счет сильного увеличения среднего числа фотонов на импульс в квантовом канале (μ).

Рисунок 2 – (а) Зависимость частоты обнаружения и g⁽²⁾(0) от мощности накачки (потери в канале передачи 0 дБ). (б) Характеристика входа-выхода Боба, для каждого канала обозначена частота обнаружения (кГц). (в) Диаграмма скорости-потерь. (г) Мониторинг безопасности в реальном времени (P = 0.43P_sat, входное состояние поляризации H).

Вычисленные на основе данных экспериментальных данных (рисунок 2 (б)) квантовые ошибки по битам (QBER) составляют 0,52%. Для полных реализаций КРК необходима динамическая подготовка состояния с использованием электрооптических модуляторов, таким образом, в полной реализации в QBER добавится вклад ошибок подготовки поляризационного состояния.

Полученные из мониторинга в течение ~1.5 часов частота обнаружений и QBER (средние значения (36,5 ± 0,9) кГц и (0,69 ± 0,06)% соответственно) стабильны во времени (рисунок 2 (г)). Это важно для практических реализаций протоколов КРК, использующих мониторинг параметров безопасности в реальном времени.

Оптимизация настроек временного окна приема

Вклад шума детектора может быть уменьшен путем сужения временного окна на стороне приемника. Временной фильтр не только снижает QBER, но и уменьшает число событий обнаружения, поэтому требует компромиссное решение. Целесообразно изменять как ширину Δt, так и центр t_c временного окна. На рисунке 3 кружками отмечены значения Δt и t_c, приводящие к максимально возможной скорости генерации секретного ключа. Настройка параметров расширила допустимые потери в канале передачи на 3,51 дБ до уровня 22,59 дБ.

Рисунок 3 - Симуляция асимптотической скорости генерации секретного ключа S_∞(Δt, t_c) на основе экспериментальных данных при 0 дБ потерь, 0,43P_sat и g⁽²⁾(0)  = 0,134 для потерь в канале передачи 0/12/18/22 дБ.

Сравнительный анализ

Для сравнительного анализа выбраны несколько передовых реализаций КРК на основе твердотельных источников:

• QD, 877 нм (Waks): квантовые точки, КРК на основе КТ с наибольшей скоростью генерации секретного ключа
• NV center (Leifgen): центры окраски в алмазе
• QD, 1580 нм (Takemoto): квантовые точки, КРК на основе КТ с наибольшим расстоянием передачи

Кроме того, смоделированы характеристики системы после улучшения источника: помещения монослоев WSe₂ в микрорезонаторы. Это улучшение уменьшит время излучения и повысит эффективность извлечения фотонов, что в свою очередь улучшит отношение сигнал/шум и увеличит μ.

Рисунок 4 - Диаграммы скорости-потерь КРК

Таблица 1. Таблица параметров для оценки производительности систем КРК на основе твердотельных источников одиночных фотонов

p_{dc - вероятность темновых отсчетов}

e_{detector - статистический вклад приемного модуля в QBER}

η_{Bob - коэффициент пропускания Боба}

Заключение

С источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2 успешно реализован протокол квантового распределения ключей BB84. Даже без дополнительных улучшений ДПМ источника КРК с предложенной временной фильтрацией может конкурировать с передовыми разработками на основе других твердотельных источников одиночных фотонов.

После внедрения улучшений (добавления микрорезонаторов) возможно преодоление порога допустимых потерь в 25 дБ, что расширит возможности для квантовой связи на дальних расстояниях. Улучшенные источники на основе ДПМ не только превосходят по характеристикам альтернативные твердотельные источники одиночных фотонов, но и отличаются простотой изготовления и управления характеристиками.

Источник: Gao, T., von Helversen, M., Antón-Solanas, C. et al. Atomically-thin single-photon sources for quantum communication. npj 2D Mater Appl 7, 4 (2023). https://doi.org/10.1038/s41699-023-00366-4

Компания INSCIENCE является поставщиком решений для научных исследований в области квантовых коммуникаций.