Dzięki współpracy kilku zespołów badawczych oraz firm z Polski i Niemiec udało się zaprojektować i wykonać pierwsze kompaktowe i przenośne światłowodowe źródło pojedynczych fotonów emitujące w zakresie drugiego okna telekomunikacyjnego (1310 nm). Po stronie polskiej w projekcie uczestniczyły dwie grupy badawcze z PWr, Pracownia Technologii Światłowodów z UMCS oraz firma Fibrain. Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej mieli znaczący wkład w budowę urządzenia. W Grupie Optyki Światłowodów (http://www.fog.pwr.edu.pl/) z Katedry Optyki i Fotoniki PWr została opracowana interferometryczna metoda pozycjonowania jednomodowego światłowodu względem emitera w postaci półprzewodnikowej kropki kwantowej, która następnie została wykorzystana do trwałego, odpornego na czynniki zewnętrze połączenia obu elementów. Wszystkie badania optyczne, w tym wybór optymalnego emitera oraz testy charakterystyk wyjściowych wytworzonego źródła, wykonano w Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur (http://osn.pwr.edu.pl/) w Katedrze Fizyki Doświadczalnej PWr. Demonstrator urządzenia został wykonany w ramach grantu „Półprzewodnikowe źródło pojedynczych fotonów do bezpiecznej światłowodowej komunikacji kwantowej w zakresie 1.3 µm” finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (II edycja konkursu na współpracę Polska-Berlin/Brandenburgia w dziedzinie fotoniki). Podsumowanie głównych wyników projektu zostało opublikowane w czasopiśmie Advanced Quantum Technologies w maju 2020 roku:
a artystyczna wizja zrealizowanego źródła pojedynczych fotonów znalazła się na okładce numeru:
Źródło opracowane przy udziale badaczy z PWr zostało niedawno wykorzystane do zademonstrowania protokołu BB84 kwantowego przesyłu klucza kryptograficznego z częstotliwością (4,72 ± 0,13) kHz przez grupę Tobiasa Heindla z Uniwersytetu Technicznego w Berlinie (https://www.ifkp.tu-berlin.de/menue/arbeitsgruppen/jag_heindel/home/). Bezpieczeństwo tak wygenerowanego klucza zapewniają podstawowe prawa mechaniki kwantowej. Światłowodowe źródło jest kompaktowe i kompatybilne z istniejącą infrastrukturą światłowodową i nie wymaga ani justowania układu optycznego w trakcie pomiarów, ani dostarczania cieczy kriogenicznych. Temperatura pracy źródła to 40 K, a uzyskiwana jest ono przy użyciu chłodziarki, której działanie oparte jest na cyklu termodynamicznym Stirlinga. Zastosowanie kropki kwantowej jako emitera pozwala na uniknięcie wbudowanych błędów cechujących często wykorzystywane w kryptografii kwantowej osłabione wiązki laserowe. Dla emiterów kwantowych o subpoissonowskiej statystyce możliwe jest osiągnięcie stuprocentowej wydajności źródła, a więc emisji pojedynczych fotonów na żądanie, natomiast w przypadku stłumionego promieniowania laserowego można co najwyżej uzyskać 37% i jest to ograniczenie fundamentalne. Uzyskane rezultaty stanowią istotny krok w kierunku realizacji światłowodowych sieci kwantowych gwarantujących bezpieczeństwo przesyłanych danych i zostały ostatnio opublikowane w czasopiśmie Applied Physics Reviews:
oraz uznane przez wydawnictwo American Institute of Physics za przełomowe:
Po lewej: demonstrator kompaktowego światłowodowego źródła pojedynczych fotonów, mieszczącego się w pudełku o wymiarach (45 x 60 x 60) cm3. Po prawej: przykładowy wynik pomiaru tzw. funkcji autokorelacji procesów emisji z takiego źródła. Wartość funkcji dla zerowego opóźnienia jest miarą prawdopodobieństwa zajścia procesów wielofotonowych - brak zliczeń dla zerowego opóźnienia świadczy o tym, że źródło emituje po jednym fotonie na impuls pobudzający.