用于下一代量子处理的基于光纤的室温单光子光源

掺杂稀土原子的光纤示意图和显微观察。可以看到整根光纤发出的荧光。(b) 经过热拉处理后的光纤示意图和显微镜观察。可以看到光纤中分离出的单个稀土原子发出的荧光。资料来源：日本东京理科大学（TUS）Kaoru Sanaka

量子系统有望为计算和通信系统带来更快的计算速度和更强的加密能力。这些系统可以建立在光纤网络上，其中包括相互连接的节点，这些节点由量子比特和单光子发生器组成，可以产生纠缠光子对。

在这方面，固态材料中的稀土（RE）原子和离子极有希望成为单光子发生器。这些材料与光纤网络兼容，并能在广泛的波长范围内发射光子。由于其光谱范围广，掺杂了这些可再元素的光纤可用于各种应用，如自由空间电信、基于光纤的电信、量子随机数生成和高分辨率图像分析。然而，迄今为止，使用掺杂 RE 的晶体材料开发的单光子光源都是在低温条件下进行的，这限制了基于它们的量子网络的实际应用。

在 2023 年 10 月 16 日发表在《物理应用评论》（Physical Review Applied）上的一项研究中，由东京理科大学副教授真中薰率领的日本研究团队成功研制出一种单光子光源，该光源在室温下由掺杂镱离子（Yb3+）的非晶二氧化硅光纤组成。这种新开发的单光子光源无需昂贵的冷却系统，有望使量子网络更具成本效益，更容易获得。

"单光子光源是控制光子统计特性的设备，光子是光的最小能量单位，"Sanaka 解释说。"在这项研究中，我们利用掺杂了光学活性 RE 元素的光纤材料开发了一种单光子光源。我们的实验还表明，这种光源可以在室温下直接从光纤中产生。

当延迟时间为零时，会出现单光子发射。当延迟时间为零时，数值小于 0.5。资料来源：日本东京理科大学（TUS）Kaoru Sanaka

镱是一种具有良好光学和电子特性的可再生元素，因此适合掺杂到光纤中。它具有简单的能级结构，激发态的镱离子具有较长的荧光寿命，约为一毫秒。

为了制造这种掺镱光纤，研究人员采用热拉技术将市售的掺镱光纤制成锥形，即先加热一段光纤，然后用拉力将其拉出，使其直径逐渐变小。

在锥形光纤内，单个 RE 原子在激光的激发下发射光子。这些 RE 原子间的间隔在确定光纤的光学特性方面起着至关重要的作用。例如，如果单个 RE 原子间的平均间隔超过了由发射光子的波长决定的光学衍射极限，那么这些原子发出的光看起来就像是来自原子簇，而不是来自不同的单个光源。

为了确认这些发射光子的性质，研究人员采用了一种称为自相关的分析方法，这种方法可以评估信号与其延迟版本之间的相似性。通过使用自相关分析发射光子模式，研究人员观察到了非共振发射，并进一步获得了掺杂滤波器中单个镱离子发射光子的证据。

虽然发射光子的质量和数量还可以进一步提高，但所开发的掺有镱原子的光纤无需昂贵的冷却系统即可制造。这克服了一个重大障碍，为各种下一代量子信息技术打开了大门。

"我们已经展示了一种无需冷却系统、波长可选的低成本单光子光源。展望未来，它可以实现各种下一代量子信息技术，如真正的随机数发生器、量子通信、量子逻辑运算和超越衍射极限的高分辨率图像分析，"Sanaka 博士总结道。

参考资料

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

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