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

Ученые из Токийского университета науки (Tokyo University of Science, TUS) и Института науки и технологий Окинавы (Okinawa Institute of Science and Technology, OIST) разработали прототип источника света, испускающего одиночные фотоны при комнатной температуре, используя стандартные материалы и методы.

Открытие является ключевым достижением для создания квантового интернета и соответствующих ему квантовых компьютеров, поскольку использование традиционных источников света не обеспечивает необходимый уровень контроля над однофотонным излучением, необходимого для квантовых сетей и компьютеров.

Исследователи использовали коммерчески доступное оптическое волокно из аморфного диоксида кремния, предварительно легированное оптически активными ионами редкоземельного (rare earth, RE) иттербия. В процессе производства ученые применили обычный метод «нагрева и вытягивания» (heat-and-pull), включающий, как следует из названия, нагревание и растяжение лески.

Пример установки для сужения оптических волокон

Однако после нагрева ученые использовали программируемый шаговый двигатель, чтобы вытянуть волокно, постепенно уменьшая диаметр его сердцевины и создавая контролируемую конусность. Это позволило точно контролировать 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 TUS заявили, что созданный однофотонный источник света недорогой, не требует сложной техники и может быть изготовлен при комнатной температуре, что исключает необходимость в дорогостоящих охлаждающих системах 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 RE 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

Процедура «нагрева и вытягивания» увеличивает расстояние между отдельными ионами иттербия, эффективно превращая их в источники одиночных фотонов. Для подтверждения характера фотонов исследователи использовали 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 из Университета технологий Сиднея, главный исследователь в Австралийском центре передовых мета-оптических систем, отмечает, что подход японской команды уже был испробован ранее, но предыдущие усилия не могли масштабироваться. В ответ авторы работы заявили, что в планах команды тестирование других RE элементов, в частности, волокна, легированного эрбием, также доступного в коммерческой продаже.

Исследователи также работают над увеличением количества испускаемых фотонов и улучшением их качества и скорости испускания, разрабатывая микро- или наноразмерные полости. Эти полости, действующие как резонаторы для фотонов, будут способствовать более контролируемому и сосредоточенному испусканию света, что является ключевым шагом для создания пар запутанных фотонов, необходимых для квантовых коммуникаций и вычислений.