用于下一代量子处理的室温下基于光纤的单光子光源

基于量子的系统有望为计算和通信系统提供更快的计算和更强的加密。这些系统可以建立在涉及互连节点的光纤网络上，这些节点由量子位和产生纠缠光子对的单光子发生器组成。

在这方面，固态材料中的稀土(RE)原子和离子作为单光子发生器非常有前途。这些材料与光纤网络兼容，并在广泛的波长范围内发射光子。由于其宽光谱范围，掺杂这些稀土元素的光纤可用于各种应用，例如自由空间电信、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，到目前为止，单光子光源是在低温下使用稀土掺杂晶体材料开发的，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《应用物理评论》上的一项研究中，由东京理科大学(TUS)副教授KaoruSanaka领导的日本研究团队成功开发出一种由掺杂镱离子(Yb)组成的单光子光源。3+)在室温下在非晶二氧化硅光纤中。这种新开发的单光子光源消除了对昂贵冷却系统的需求，并有可能使量子网络更具成本效益和易于使用。

“单光子光源是控制光子统计特性的装置，光子代表光的最小能量单位，”Sanaka解释道。“在这项研究中，我们使用掺杂光学活性稀土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产生。”

镱是一种稀土元素，具有良好的光学和电子特性，使其成为掺杂光纤的合适候选者。它具有简单的能级结构，激发态的镱离子具有约1毫秒的长荧光寿命。

为了制造掺镱光纤，研究人员使用热拉技术将市售的掺镱光纤制成锥形，其中一段光纤被加热，然后用张力拉动以逐渐减小其直径。

在锥形光纤内，单个稀土原子在受到激光激发时会发射光子。这些稀土原子之间的分离在定义光纤的光学特性方面起着至关重要的作用。例如，如果单个稀土原子之间的平均间隔超过光学衍射极限(由发射光子的波长决定)，则这些原子发射的光看起来好像来自簇，而不是不同的单个光源。

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，该方法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的光子模式，研究人员观察到非共振发射，并进一步获得了掺杂滤波器中单个镱离子的光子发射的证据。

虽然发射光子的质量和数量可以进一步提高，但所开发的含有镱原子的光纤可以在不需要昂贵的冷却系统的情况下制造。这克服了一个重大障碍，并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具有可选波长且无需冷却系统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，例如真随机数发生器、量子通信、量子逻辑操作以及超越衍射极限的高分辨率图像分析，”Sanaka博士总结道。

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