研究人員通過光纖傳輸光的雙光子量子態(tài)

  低損耗光纖于1970年由康寧公司發(fā)明，成為從一個地方到另一個地方長距離有效傳輸信息而不損失信息的最佳手段?，F(xiàn)在最常見的數(shù)據(jù)傳輸方式是通過傳統(tǒng)的光纖 -- 一個單芯通道傳輸信息。然而，隨著數(shù)據(jù)生成的指數(shù)級增長，這些系統(tǒng)正在達(dá)到信息承載能力的極限。因此，現(xiàn)在的研究重點(diǎn)是尋找新的方法，通過研究光纖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用新的方法來產(chǎn)生和傳輸信號，從而充分地利用光纖的潛力。此外，通過將這一研究從經(jīng)典光擴(kuò)展到量子光，量子技術(shù)的應(yīng)用也得以實(shí)現(xiàn)。

  在50年代末，物理學(xué)家菲利普-W-安德森(他對粒子物理和超導(dǎo)也有重要貢獻(xiàn))預(yù)測了現(xiàn)在被稱為安德森定位的東西。由于這一發(fā)現(xiàn)，他獲得了1977年諾貝爾物理學(xué)獎。安德森從理論上表明，在哪些條件下，無序系統(tǒng)中的電子可以在整個系統(tǒng)中自由移動，或者作為 "本地化電子 "被束縛在一個特定的位置上。例如，這個無序系統(tǒng)可以是一個帶有雜質(zhì)的半導(dǎo)體。

  后來，同樣的理論方法被應(yīng)用于各種無序系統(tǒng)，并被推斷出光也可以經(jīng)歷安德森定位。過去的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了光纖中的安德森定位，實(shí)現(xiàn)了光(經(jīng)典的或傳統(tǒng)的光)在二維中的限制或定位，同時(shí)將其在三維中傳播。雖然這些實(shí)驗(yàn)對經(jīng)典光顯示了成功的結(jié)果，但到目前為止，直到最近，還沒有人用量子光(由量子相關(guān)態(tài)組成的光)測試過這種系統(tǒng)。

  在發(fā)表在《通信物理學(xué)》上的一項(xiàng)研究中，ICFO的研究人員Alexander Demuth、Robing Camphausen、Alvaro Cuevas在ICFO的ICREA教授Valerio Pruneri的帶領(lǐng)下，與Nick Borrelli、Thomas Seward、Lisa Lamberson和Karl W。Koch，以及來自Micro Photon Devices(MPD)的Alessandro Ruggeri和來自Politecnico di Milano的Federica Villa和Francesca Madonini，已經(jīng)成功證明了雙光子量子態(tài)通過相位分離的安德森定位光纖(PSF)的傳輸。

  傳統(tǒng)光纖與安德森定位光纖的對比

  與傳統(tǒng)的單模光纖(數(shù)據(jù)通過單芯傳輸)相反，相分離光纖(PSF)或相分離安德森定位光纖是由許多玻璃股嵌入兩種不同折射率的玻璃基體中制成的。在其制造過程中，當(dāng)硼硅酸鹽玻璃被加熱和熔化時(shí)，它被拉成纖維，其中不同折射率的兩相之一傾向于形成拉長的玻璃股。由于材料內(nèi)有兩種折射率，這就產(chǎn)生了所謂的橫向無序，從而導(dǎo)致光在材料中的橫向(2D)安德森定位。

  光纖制造方面的專家，康寧公司創(chuàng)造了一種光纖，通過利用安德森定位，可以在一根光纖中傳播多個光束。與多芯光纖束相反，這種PSF顯示非常適用于此類實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵S多平行的光束可以在光纖中傳播，而它們之間的間距最小。

  科學(xué)家團(tuán)隊(duì)是量子通信方面的專家，他們希望通過康寧的相位分離光纖盡可能有效地傳輸量子信息。在實(shí)驗(yàn)中，PSF連接了一個發(fā)射器和一個接收器。發(fā)送器是一個量子光源(由ICFO建造)。該光源通過在非線性晶體中的自發(fā)參數(shù)向下轉(zhuǎn)換(SPDC)產(chǎn)生量子相關(guān)的光子對，其中一個高能量的光子被轉(zhuǎn)換為光子對，每個光子對的能量較低。低能量的光子對的波長為810納米。由于動量守恒，出現(xiàn)了空間反相干。接收器是一個單光子雪崩二極管(SPAD)陣列相機(jī)，由Polimi和MPD開發(fā)。與普通的CMOS相機(jī)不同，SPAD陣列相機(jī)非常敏感，可以以極低的噪聲檢測到單光子;它還具有非常高的時(shí)間分辨率，這樣就可以高精度地知道單光子的到達(dá)時(shí)間。

  量子光

  ICFO團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個光學(xué)裝置，通過相位分離的安德森定位光纖發(fā)送量子光，并用SPAD陣列相機(jī)檢測其到達(dá)。SPAD陣列使他們不僅能夠檢測到成對的光子，還能將它們識別為成對的光子，因?yàn)樗鼈兪峭瑫r(shí)到達(dá)的(重合的)。由于這對光子是量子相關(guān)的，知道兩個光子中的一個在哪里被檢測到，就可以知道另一個光子的位置。研究小組在通過PSF發(fā)送量子光之前和之后都驗(yàn)證了這種相關(guān)性，成功地表明光子的空間反相關(guān)確實(shí)得到了保持。

  在這次演示之后，ICFO團(tuán)隊(duì)接著開始展示如何在未來的工作中改進(jìn)他們的結(jié)果。為此，他們進(jìn)行了比例分析，以找出810納米的量子光波長下拉長的玻璃鏈的最佳尺寸分布。在用經(jīng)典光進(jìn)行全面分析后，他們能夠確定相位分離光纖目前的局限性，并提出改進(jìn)其制造的建議，以盡量減少傳輸過程中的衰減和分辨率的損失。

  這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，這種方法對于量子成像或量子通信的實(shí)際應(yīng)用中的可擴(kuò)展制造過程具有潛在的吸引力，特別是對于高分辨率內(nèi)窺鏡、糾纏分布和量子密鑰分發(fā)領(lǐng)域。

  參考文獻(xiàn)：Quantum light transport in phase-separated Anderson localization fiber, Alexander Demuth, Robin Camphausen, álvaro Cuevas, Nick F. Borrelli, Thomas P. Seward III, Lisa Lamberson, Karl W. Koch, Alessandro Ruggeri, Francesca Madonini, Federica Villa & Valerio Pruneri, Communications Physics volume 5, Article number: 261 (2022), https://www.nature.com/articles/s42005-022-01036-5

  文章來源：The Quantum Insider 由逍遙科技編譯