Zasilane elektrycznie kompaktowe źródła pojedynczych fotonów pracujące w temperaturze pokojowej

Jak wyemitować pojedyncze fotony na żądanie?

Prof. dr hab. Piotr Kossacki z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego jest liderem projektu badawczego „Zasilane elektrycznie kompaktowe źródła pojedynczych fotonów pracujące w temperaturze pokojowej”, realizowanego w ramach projektuTEAM NET finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG). Projekt koncentruje się na tym, jak skutecznie, niezawodnie i w warunkach możliwych do wdrożenia poza laboratorium wytwarzać pojedyncze fotony, czyli najmniejsze porcje światła, wykorzystywane m.in. w  komunikacji kwantowej, w tym w przesyle kluczy kwantowych – absolutnie bezpiecznych metod szyfrowania informacji.

W klasycznych systemach światłowodowych informacja przesyłana jest za pomocą impulsów światła, które – choć szybkie i wygodne – mogą być podsłuchane lub zreplikowane. Tymczasem komunikacja z użyciem pojedynczych fotonów wykorzystuje podstawowe zasady mechaniki kwantowej: każdy foton to niepowtarzalny nośnik informacji. Próba jego przechwycenia nie tylko zostawia ślad, ale wręcz niszczy jego pierwotny stan, co natychmiast ujawnia próbę podsłuchu. Właśnie dlatego kwantowa kryptografia uważana jest za niemożliwą do złamania: nie da się przechwycić przesyłanych informacji – nie dlatego, że zabezpieczenia są doskonałe, ale dlatego, że sama fizyka na to nie pozwala.

„Problem polega na tym, że obecnie dostępne komercyjne źródła pojedynczych fotonów są duże, energochłonne i niepraktyczne. Zwykle wymagają zewnętrznych laserów do wzbudzania oraz chłodzenia do temperatur bliskich zera absolutnego. Trudno sobie wyobrazić ich powszechne wykorzystanie poza specjalistycznym laboratorium. Co więcej, wiele z tych źródeł nie zapewnia emisji pojedynczych fotonów „na zawołanie”, lecz pojawiają się one w sposób losowy. Dlatego celem naszego projektu jest skonstruowanie kompaktowego (milimetrowych rozmiarów), elektrycznie zasilanego źródła pojedynczych fotonów, które będzie działać w temperaturze pokojowej (bez kriostatów), i które będzie emitować fotony na żądanie” – mówi prof. dr hab. Piotr Kossacki.

Urządzenie będzie opracowywane we współpracy naukowców z trzech instytucji. Oprócz grupy z Uniwersytetu Warszawskiego w skład konsorcjum będzie wchodzić zespół z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN w Warszawie kierowany przez prof. dr hab. Czesława Skierbiszewskiego oraz zespół z Politechniki Łódzkiej kierowany przez prof. dr hab. Tomasza Czyszanowskiego. „Dzięki połączeniu naszej wiedzy i doświadczeń chcemy skonstruować hybrydową strukturę, w której zintegrujemy azotkowy laser lub rezonansową diodę elektroluminescencyjną (opracowywane przez zespół prof. Czesława Skierbiszewskiego), warstwę azotku boru (hBN) zawierającą defekty emitujące pojedyncze fotony (rozwijaną przez nasz zespół z UW) oraz otoczenie fotoniczne zoptymalizowane do kierunkowej emisji światła (projektowane przez grupę prof. Tomasza Czyszanowskiego). Taki układ umożliwi precyzyjną emisję pojedynczych fotonów z wysoką wydajnością i stabilnością. Zamiast losowej emisji, jak w wielu dotychczasowych systemach, fotony będą wypuszczane dokładnie wtedy, gdy są potrzebne” – precyzuje prof. dr hab. Piotr Kossacki.

Projekt nie mierzy od razu w rynek masowy. Twórcy są świadomi, że przekształcenie tak zaawansowanej technologii w produkt konsumencki wymaga czasu, środków i dużych inwestycji. Na początek celują więc w rynek aparatury naukowej, gdzie każde udoskonalenie w dziedzinie emisji pojedynczych fotonów może przynieść znaczący postęp – zarówno w badaniach podstawowych nad optyką kwantową, jak i w technologiach komunikacji.

„Nasz projekt ma też ogromne znaczenie dydaktyczne. Angażuje młodych badaczy, którzy nie tylko zdobywają unikalne kompetencje, ale i współtworzą technologie przyszłości. Uważam, że równie ważne jak zbudowanie nowego przyrządu jest wykształcenie nowego pokolenia naukowców, którzy będą potrafili tę aparaturę rozwijać i wdrażać” – podsumowuje prof. dr hab. Piotr Kossacki.

Prof. dr hab. Piotr Kossacki ukończył studia na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, gdzie następnie uzyskał tytuł doktora (specjalizując się w fizyce doświadczalnej). W latach 1998-1999 pracował jako post-doc na Politechnice Federalnej w Lozannie w Szwajcarii (EPFL). Po powrocie do Warszawy został zatrudniony na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, gdzie zrobił habilitację w specjalności fizyka ciała stałego. W latach 2009-2011 był stypendystą programu Marie Curie (FP7 IEF) w Laboratorium Wysokich Pól Magnetycznych w Grenoble we Francji. Od 2011 r. pracuje na Uniwersytecie Warszawskim na stanowisku profesora nadzwyczajnego, a od 2019 r. na stanowisku profesora zwyczajnego. Kieruje grupą LUMS (Laboratorium Ultraszybkiej Magnetospektroskopii) składającą się z ponad 20 naukowców i studentów. Jest też dyrektorem Instytutu Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Laureat licznych nagród i wyróżnień, m.in. Nagrody im. Stefana Pieńkowskiego oraz Nagrody Prezesa Rady Ministrów. Specjalizuje się w badaniach właściwości magnetycznych i optycznych nanostruktur półprzewodnikowych, w tym struktur zawierających półprzewodniki półmagnetyczne, układów niskowymiarowych (kropki kwantowe, heterostruktury i studnie kwantowe), nanoalotropami węgla oraz półprzewodnikowymi materiałami warstwowymi z grupy dichalogenków metali przejściowych.