Новости из мира фотоники: однофотонный источник света для квантовой обработки нового поколения
Однофотонный источник света для квантовой обработки нового поколения, работающий при комнатной температуре, на основе оптического волокна
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Applied 16 октября 2023 года, группа исследователей из Японии под руководством доцента Каору Санака (Kaoru Sanaka) из Токийского научного университета (TUS) успешно разработала однофотонный источник света, состоящий оптического волокна, легированного ионами иттербия (Yb3+), работающий при комнатной температуре. Этот недавно разработанный однофотонный источник устраняет необходимость в дорогостоящих системах охлаждения и потенциально может сделать квантовые сети более экономичными и доступными.
Квантовые системы обещают более быстрые вычисления и более надежное шифрование для вычислительных и коммуникационных систем. Эти системы могут быть построены на основе оптоволоконных сетей, включающих взаимосвязанные узлы, состоящие из кубитов и генераторов одиночных фотонов, создающих запутанные фотонные пары.
В этом отношении атомы и ионы редкоземельных элементов (РЗЭ) в твердотельных материалах весьма перспективны в качестве генераторов одиночных фотонов. Эти материалы совместимы с волоконными сетями и излучают фотоны в широком диапазоне длин волн. Благодаря широкому спектральному диапазону оптические волокна, легированные этими элементами, могут найти применение в различных приложениях, таких как телекоммуникации в свободном пространстве, оптоволоконные телекоммуникации, генерация квантовых случайных чисел и анализ изображений с высоким разрешением. Однако до сих пор разработанные однофотонные источники света с использованием кристаллических материалов, легированных РЗЭ, работали при криогенных температурах, что ограничивает практическое применение квантовых сетей на их основе.
Дополнительные материалы:
- https://oxfordquantumcircuits.com/technology
- https://www.attocube.com/en/oem/quantum-technology/single-photon-sources
- https://www.hpcwire.com/off-the-wire/psiquantum-opens-uk-based-research-facility-to-develop-next-gen...
«Однофотонные источники света — это устройства, которые контролируют статистические свойства фотонов, которые представляют собой наименьшие энергетические единицы света», — объясняет Санака. «В этом исследовании мы разработали однофотонный источник света, используя материал оптического волокна, легированный активными элементами. Наши эксперименты также показывают, что такой источник может быть создан непосредственно из оптического волокна при комнатной температуре».
Иттербий — это РЗ элемент с благоприятными оптическими и электронными свойствами, что делает его подходящим кандидатом для легирования волокна. Он имеет простую структуру энергетических уровней, а ион иттербия в возбужденном состоянии имеет длительное время жизни флуоресценции — около одной миллисекунды.
Чтобы изготовить оптическую среду для генерации одиночного фотона, исследователи сузили коммерчески доступное волокно, легированное иттербием, используя метод нагрева и вытягивания (тейпирование), при котором участок волокна нагревается, а затем растягивается с натяжением, чтобы постепенно уменьшить его диаметр.
Внутри конического волокна отдельные атомы РЗЭ излучают фотоны при возбуждении излучением накачки. Расстояние между этими атомами РЗЭ играет решающую роль в определении оптических свойств волокна. Например, если среднее расстояние между отдельными атомами РЗЭ превышает предел оптической дифракции, который определяется длиной волны испускаемых фотонов, то излучаемое этими атомами излучение выглядит так, как будто оно исходит от кластеров, а не от отдельных источников.
Чтобы подтвердить природу этих излучаемых фотонов, исследователи применили аналитический метод, известный как автокорреляция, который оценивает сходство между сигналом и его задержанной версией. Анализируя структуру испускаемых фотонов с помощью автокорреляции, исследователи наблюдали нерезонансное излучение и дополнительно получили доказательства испускания фотонов из одного иона иттербия в легированном фильтре.
Хотя качество и количество излучаемых фотонов можно еще улучшить, разработанное оптическое волокно с ионами иттербия можно производить без необходимости использования дорогостоящих систем охлаждения. Это преодолевает серьезное препятствие и открывает двери для различных квантовых информационных технологий следующего поколения.
«Мы продемонстрировали недорогой однофотонный источник света с выбираемой длиной волны и без необходимости в системе охлаждения. В дальнейшем он может реализовать различные квантовые информационные технологии следующего поколения, такие как генераторы истинных случайных чисел, квантовая связь, квантовая логика, операции и анализ изображений с высоким разрешением, выходящим за пределы дифракционного предела», — заключает доктор Санака.
Для вытягивания (тейпирования) волокон разработаны специальные станции гласс-процессинга (Glass-processing). Тейпирование оптических волокон – стандартная процедура для производства волоконно-оптических компонентов, таких как комбайнеры, сплавные разветвители, мультиплексоры и тд.
Основными критериями качественного тейпера являются постоянство температуры, быстрый нагрев, плавный ход перемещающихся подвижек, длина и ширина тейпера. Различные применения требуют оптимизированные параметры, подобранные под конкретную задачу. Специалисты АО «ЛЛС» помогут подобрать нужную станцию под ваш запрос.
Ознакомиться с оборудованием для обработки волокон вы сможете по ссылке.
Больше информации: Mikio Takezawa et al, Room-temperature addressing of single rare-earth atoms in optical fiber, Physical Review Applied (2023).
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.044038
Новость подготовила и перевела:
Ромашова Василиса
Руководитель группы по волоконным системам