基于光纤的室温单光子光源应用

基于量子系统的计算和通信系统有望实现更快的计算速度和更强的加密性能。这些系统可以建立在光纤网络上，包括由量子比特和单光子发生器组成的互联节点，这些节点可以产生纠缠的光子对。

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具有很高的前景。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。由于其光谱范围较广，掺杂这些稀土元素的光纤可用于各种应用，如自由空间通信、光纤通信、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掺杂稀土元素的晶体材料开发的，这限制了基于它们的量子网络的实际应用。

掺杂有稀土原子的光纤的示意图和显微镜观察。可以看到整个光纤的荧光。(b)加热和拉伸处理后的光纤的示意图和显微镜观察。可以看到光纤中孤立的一个稀土原子的荧光。

在2023年10月16日发表在《物理评论应用》上的一项研究中，由东京科技大学副教授Kaoru Sanaka领导的一组日本研究人员成功开发了一种由掺杂镱离子（Yb3+）组成的单光子光源，该掺杂离子位于室温下的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的冷却系统的需求，并有可能使量子网络更具成本效益和可访问性。

Sanaka解释说：“单光子光源是控制光子统计特性的设备，光子是光的最小能量单位。在这项研究中，我们使用掺杂有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中产生。”

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

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拉细，其中一段光纤被加热，然后被拉紧，逐渐减小其直径。

当延迟时间为零时，可以看到单光子发射。当延迟时间为零时，该值小于0.5。

在锥形光纤中，当激光激发时，单个稀土原子发射光子。这些稀土原子之间的分离在定义光纤的光学性质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距离超过光学衍射极限，则由发射的光子的波长决定，这些原子发射的光看起来像是来自簇而不是不同的单个来源。

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光片中单个镱离子发射光子的证据。

虽然发射光子的质量和数量可以进一步提高，但开发的含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，为各种下一代量子信息技术打开了大门。

Sanaka博士总结道：“我们已经展示了一种低成本的单光子光源，具有可选择的波长，不需要冷却系统。继续前进，它可以实现各种下一代量子信息技术，如真随机数发生器、量子通信、量子逻辑操作和超越衍射极限的高分辨率图像分析。”

编辑：黄飞