Однофотонный свет из волокна: новый способ создания квантового интернета и компьютеров

[Sepultura_North]

Прототип источника света, который испускает одиночные фотоны при комнатной температуре, был разработан учеными из Токийского университета науки (Tokyo University of Science, TUS) и Института науки и технологий Окинавы (Okinawa Institute of Science and Technology, OIST) с использованием стандартных материалов и методов.

Открытие является важным прорывом в создании квантового интернета и соответствующих квантовых компьютеров, так как использование обычных источников света не обеспечивает достаточный уровень контроля над однофотонным излучением, необходимым для работы квантовых сетей и компьютеров.

Исследователи воспользовались доступным на рынке коммерческим оптическим волокном, изготовленным из аморфного диоксида кремния, которое предварительно было обогащено оптически активными ионами редкоземельного элемента иттербия. В ходе производства ученые применили стандартный метод "нагрева и вытягивания", который включает нагревание и последующее растяжение волокна.

Пример установки для сужения оптических волокон​

Однако, после нагрева, исследователи применили программируемый шаговый двигатель для вытягивания волокна, постепенно уменьшая диаметр его сердцевины и создавая контролируемую конусность. Это позволило точно регулировать диаметр ядра волокна. Процедура сужения с помощью нагревания и вытягивания увеличивает расстояние между отдельными ионами иттербия и эффективно превращает их в однофотонные излучатели (эмиттеры).

В компании TUS заявили, что разработанный однофотонный источник света является экономичным, не требует сложной техники и может быть изготовлен при комнатной температуре. Это исключает необходимость в использовании дорогостоящих охлаждающих систем и повышает потенциал для создания доступных квантовых сетей и интернета.

В отличие от традиционных методов, где квантовые частицы размещаются на внешней стороне суженного волокна, ограничивая эффективный захват и направление испускаемых фотонов, ионы редкоземельных элементов встраиваются и выравниваются внутри ядра волокна во время его производства, что оптимизирует структурный захват и направление фотонов.

Ионы встраиваются и выравниваются внутри ядра волокна во время его производства​

С помощью процедуры "нагрева и вытягивания" удалось увеличить расстояние между отдельными ионами иттербия, что привело к эффективному превращению их в источники одиночных фотонов. Для подтверждения характера этих фотонов исследователи применили метод измерения автокорреляции.

Изображения неструктурированных и конусных волокон, полученные ПЗС-камерой диаметром а (а) 4.4 мкм, (b) 2.0 мкм и (с) 1,8 мкм. (d) Микроскопическое изображение структурированного конического волокна диаметром 1,8 мкм вокруг его центра.​

Игорь Ахаронович, главный исследователь в Австралийском центре передовых мета-оптических систем, отмечает, что ранее уже был опробован подход японской команды, однако предыдущие попытки не могли быть масштабированы. В ответ на это авторы работы заявили, что в планах команды тестирование других элементов RE, включая волокна, легированные эрбием, которые также доступны для коммерческой продажи.

Ученые также занимаются увеличением количества фотонов, которые испускаются, а также улучшением их качества и скорости испускания. Они разрабатывают микро- или наноразмерные полости, которые действуют как резонаторы для фотонов. Эти полости позволят более контролируемо и сосредоточенно испускать свет, что является важным шагом в создании пар запутанных фотонов, необходимых для квантовых коммуникаций и вычислений.