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通过相分离的安德森局域化光纤传输光的双光子量子态

低损耗光纤由康宁公司于1970年发明,成为将信息从一个地方远距离有效传输到另一个地方而不会丢失信息的最佳方式。当今最常见的数据传输方式是通过传统的光纤——一条单芯信道传输信息。然而,随着数据生成的指数级增长,这些系统正在达到信息承载能力的极限。

因此,现在的研究重点是通过检查光纤的内部结构并将新方法应用于信号生成和传输,从而找到充分利用光纤潜力的新方法。此外,通过将这项研究从经典光扩展到量子光,可以实现在量子技术中的应用。

在50年代后期,物理学家PhilipW.Anderson(他也对粒子物理学和超导性做出了重要贡献)预测了现在所谓的安德森局域化。由于这一发现,他获得了1977年的诺贝尔物理学奖。安德森从理论上展示了在什么条件下,无序系统中的电子可以作为一个整体在整个系统中自由移动,或者作为“局部电子”被束缚在特定位置。这种无序系统可以是例如带有杂质的半导体。

后来,同样的理论方法被应用到多种无序系统中,推导出光也可以经历安德森局域化。过去的实验已经证明了光纤中的安德森定位,实现了光(经典或传统光)在二维中的限制或定位,同时通过三维传播。虽然这些实验已经显示出经典光的成功结果,但到目前为止还没有人用量子光(由量子相关态组成的光)测试过这样的系统。也就是说,直到最近。

在CommunicationsPhysics发表的一项研究中,ICFO研究人员AlexanderDemuth、RobingCamphausen、AlvaroCuevas,由ICFOValerioPruneri的ICREA教授领导,与来自康宁的NickBorrelli、ThomasSeward、LisaLamberson和KarlW.Koch以及Alessandro合作来自MicroPhotonDevices(MPD)的Ruggeri和来自米兰理工大学的FedericaVilla和FrancescaMadonini已经能够成功地展示光的双光子量子态通过相分离的安德森定位光纤(PSF)的传输。

传统光纤与安德森定位光纤

与通过单芯传输数据的传统单模光纤相反,相分离光纤(PSF)或相分离安德森定位光纤由嵌入两种不同折射率的玻璃矩阵中的许多玻璃原丝制成。

在其制造过程中,当硼硅酸盐玻璃被加热和熔化时,它被拉成纤维,其中具有不同折射率的两相之一往往会形成细长的玻璃丝。由于材料内有两个折射率,这会产生所谓的横向无序,从而导致材料中光的横向(2D)安德森局域化。

作为光纤制造专家,康宁创造了一种光纤,可以利用安德森定位在单根光纤中传播多个光束。与多芯光纤束相反,这种PSF非常适合此类实验,因为许多平行光束可以通过光纤传播,它们之间的间距最小。

科学家团队是量子通信领域的专家,他们希望通过康宁的相分离光纤尽可能高效地传输量子信息。在实验中,PSF连接了发射器和接收器。发射器是一个量子光源(由ICFO制造)。该源通过非线性晶体中的自发参数下转换(SPDC)生成量子相关光子对,其中一个高能量光子被转换成一对光子,每个光子具有较低的能量。

低能光子对的波长为810nm。由于动量守恒,空间反相关出现。接收器是由Polimi和MPD开发的单光子雪崩二极管(SPAD)阵列相机。SPAD阵列相机与普通CMOS相机不同,它非常灵敏,可以检测到噪声极低的单光子;它还具有非常高的时间分辨率,因此可以高精度地知道单个光子的到达时间。

量子光

ICFO团队设计了光学装置,通过相位分离的安德森定位光纤发送量子光,并用SPAD阵列相机检测到它的到达。SPAD阵列使他们不仅能够检测到光子对,而且还能将它们识别为成对,因为它们同时到达(巧合)。

由于这些对是量子相关的,知道两个光子中的一个被检测到的位置可以告诉我们另一个光子的位置。该团队在通过PSF发送量子光之前和之后验证了这种相关性,成功地表明光子的空间反相关性确实得到了保持。

在这次演示之后,ICFO团队开始展示如何在未来的工作中改进他们的成果。为此,他们进行了比例分析,以找出针对810nm量子光波长的细长玻璃原丝的最佳尺寸分布。在对经典光进行全面分析后,他们能够确定相分离光纤的当前局限性并提出改进其制造的建议,以最大限度地减少传输过程中的衰减和分辨率损失。

这项研究的结果表明,这种方法对于量子成像或量子通信的实际应用中的可扩展制造过程具有潜在的吸引力,特别是对于高分辨率内窥镜、纠缠分布和量子密钥分布领域。

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