基于量子系統(tǒng)的計(jì)算和通信系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算速度和更強(qiáng)的加密性能。這些系統(tǒng)可以建立在光纖網(wǎng)絡(luò)上，包括由量子比特和單光子發(fā)生器組成的互聯(lián)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以產(chǎn)生糾纏的光子對。

在這方面，固態(tài)材料中的稀土（RE）原子和離子作為單光子發(fā)生器具有很高的前景。這些材料與光纖網(wǎng)絡(luò)兼容，并在廣泛的波長范圍內(nèi)發(fā)射光子。由于其光譜范圍較廣，摻雜這些稀土元素的光纖可用于各種應(yīng)用，如自由空間通信、光纖通信、量子隨機(jī)數(shù)生成和高分辨率圖像分析。然而，到目前為止，單光子光源是在低溫下使用摻雜稀土元素的晶體材料開發(fā)的，這限制了基于它們的量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用。

摻雜有稀土原子的光纖的示意圖和顯微鏡觀察。可以看到整個(gè)光纖的熒光。(b)加熱和拉拔處理后的光纖的示意圖和顯微鏡觀察。可以看到光纖中孤立的一個(gè)稀土原子的熒光。

在2023年10月16日發(fā)表在《物理評論應(yīng)用》上的一項(xiàng)研究中，由東京科技大學(xué)副教授Kaoru Sanaka領(lǐng)導(dǎo)的一組日本研究人員成功開發(fā)了一種由摻雜鐿離子（Yb³⁺）組成的單光子光源，該摻雜離子位于室溫下的非晶二氧化硅光纖中。這種新開發(fā)的單光子光源消除了對昂貴的冷卻系統(tǒng)的需求，并有可能使量子網(wǎng)絡(luò)更具成本效益和可訪問性。

Sanaka解釋說：“單光子光源是控制光子統(tǒng)計(jì)特性的設(shè)備，光子是光的最小能量單位。在這項(xiàng)研究中，我們使用摻雜有光學(xué)活性稀土元素的光纖材料開發(fā)了一種單光子光源。我們的實(shí)驗(yàn)還表明，這種光源可以在室溫下直接從光纖中產(chǎn)生�！�

當(dāng)延遲時(shí)間為零時(shí)，可以看到單光子發(fā)射。當(dāng)延遲時(shí)間為零時(shí)，該值小于0.5。

鐿是一種具有良好光學(xué)和電子特性的稀土元素，使其成為摻雜光纖的合適候選者。它具有簡單的能級結(jié)構(gòu)，處于激發(fā)態(tài)的鐿離子具有約1毫秒的較長熒光壽命。

為了制造摻鐿光纖，研究人員使用熱拉技術(shù)將市售的摻鐿光纖拉細(xì)，其中一段光纖被加熱，然后被拉緊，逐漸減小其直徑。

在錐形光纖中，當(dāng)激光激發(fā)時(shí)，單個(gè)稀土原子發(fā)射光子。這些稀土原子之間的分離在定義光纖的光學(xué)性質(zhì)方面起著至關(guān)重要的作用。例如，如果單個(gè)稀土原子之間的平均距離超過光學(xué)衍射極限，則由發(fā)射的光子的波長決定，這些原子發(fā)射的光看起來像是來自簇而不是不同的單個(gè)來源。

為了確認(rèn)這些發(fā)射光子的性質(zhì)，研究人員采用了一種稱為自相關(guān)的分析方法，該方法評估信號與其延遲版本之間的相似性。通過使用自相關(guān)分析發(fā)射光子模式，研究人員觀察到非共振發(fā)射，并進(jìn)一步獲得了摻雜濾光片中單個(gè)鐿離子發(fā)射光子的證據(jù)。

雖然發(fā)射光子的質(zhì)量和數(shù)量可以進(jìn)一步提高，但開發(fā)的含鐿原子的光纖可以在不需要昂貴的冷卻系統(tǒng)的情況下制造。這克服了一個(gè)重大障礙，為各種下一代量子信息技術(shù)打開了大門。

Sanaka博士總結(jié)道：“我們已經(jīng)展示了一種低成本的單光子光源，具有可選擇的波長，不需要冷卻系統(tǒng)。繼續(xù)前進(jìn)，它可以實(shí)現(xiàn)各種下一代量子信息技術(shù)，如真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、量子通信、量子邏輯操作和超越衍射極限的高分辨率圖像分析”。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.20.044038