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光纤光缆巨头康宁公司开发了量子光纤

2022-11-25科学

光纤光缆巨头康宁公司开发了量子光纤

光子盒研究院出品


在凝聚态物理学中,「安德森定位」是指在无序介质中不存在波的扩散。


近日,发表在【通信物理学】上的【相位分离的安德森定位光纤中的量子光传输】[1]研究中,西班牙光子科学研究所(ICFO)的Valerio Pruneri教授团队和光纤光缆巨头康宁公司(Corning Incorporated)合作,成功证明了双光子量子态通过相位分离的安德森定位光纤(PSF)的传输。


光纤光缆巨头康宁公司开发了量子光纤


01

量子光纤和安德森定位


1970年由康宁公司发明、低损耗的光纤成为将信息从一个地方有效地长距离传输到另一个地方,而不损失信息的最佳手段。现在最常见的数据传输方式是通过传统的光纤——一个单一的核心通道,来传输信息。然而,随着数据生成量的指数级增长,这些系统正在达到信息承载能力的极限。


因此,现在的研究重点是寻找新的方法,通过研究光纤的内部结构和应用新的方法来产生和传输信号,从而充分地利用光纤的潜力;此外,通过将这一研究从经典光扩展到量子光,量子技术的应用也得以实现。


在50年代末,物理学家菲利普·安德森(Philip W. Anderson,他也对粒子物理和超导作出了重要贡献)预测了现在被称为安德森定位;由于这一发现,他获得了1977年诺贝尔物理学奖。安德森从理论上表明,在哪些条件下,无序系统中的电子可以在整个系统中自由移动,或者作为一个「本地化电子」被束缚在一个特定的位置。例如,这个无序系统可以是一个带有杂质的半导体。


后来,同样的理论方法被应用于各种无序系统,并推断出光也可以经历安德森定位。过去的实验证明了光纤中的安德森定位,实现了经典或传统光在两个维度上的限制或定位,同时将其在第三维度上传播。虽然这些实验对经典光显示了成功的结果,但到目前为止,还没有人用量子光(由量子相关态组成的光)测试过这种系统。


直到最近,ICFO团队才成功证明了双光子量子态通过相位分离的安德森定位光纤(PSF)传输。


02

传统光纤与安德森定位光纤的对比


与传统的单模光纤(数据通过单芯传输)相反,相位分离光纤(PSF)或相位分离安德森定位光纤是由许多嵌在两种不同折射率的玻璃基体中的玻璃组成。


光纤光缆巨头康宁公司开发了量子光纤

相位分离的光纤:通过安德森局部模式的对比图像和传播示意图


光纤光缆巨头康宁公司开发了量子光纤

相位分离的安德森定位光纤作为发射器和接收器之间的量子通道的示意图。图中显示,在从发射器(产生)到接收器(探测)的过程中,纠缠等量子相关关系沿着光纤一路保持。


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,其中不同折射率的两相之一倾向于形成拉长的玻璃股。由于材料内有两种折射率,这就产生了所谓的横向无序,从而导致光在材料中的横向(2D)安德森定位。


作为光纤制造方面的专家,康宁公司创造了一种光纤,通过利用安德森定位,可以在一根光纤中传播多个光束。与多芯光纤束相反,这种PSF显示非常适用于此类实验,因为许多平行的光束可以在光纤中传播,而它们之间的间距最小。


科学家团队是量子通信方面的专家,他们希望通过康宁的相位分离光纤尽可能有效地传输量子信息。在实验中,PSF连接了一个发射器和一个接收器。发送器是一个量子光源(由ICFO建造)。该光源通过在非线性晶体中的自发参数向下转换(SPDC)产生量子相关的光子对,其中一个高能量的光子被转换为光子对,每个光子对的能量较低。


低能量的光子对的波长为810纳米。由于动量守恒,出现了空间反相干。接收器是一个单光子雪崩二极管(SPAD)阵列相机,与普通的CMOS相机不同,SPAD阵列相机非常敏感,可以以极低的噪声检测到单光子;它还具有非常高的时间分辨率,这样就可以高精度地知道单光子的到达时间。


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实验的示意图


03

量子相位分离光纤,可应用于量子成像、量子通信


ICFO团队设计了一个光学装置,通过相位分离的安德森定位光纤发送量子光,并用SPAD阵列相机检测其到达。SPAD阵列使他们不仅能够检测到成对的光子,还能将它们识别为成对的光子,因为它们是同时到达的(重合的)。


由于这对光子是量子相关的,知道两个光子中的一个在哪里被检测到,就可以知道另一个光子的位置。研究小组在通过PSF发送量子光之前和之后都验证了这种相关性,成功地表明光子的空间反相关确实得到了保持。


在这次演示之后,ICFO团队接着将开始展示如何在未来的工作中改进他们的结果。为此,他们进行了比例分析,以找出810纳米的量子光波长下拉长的玻璃链的最佳尺寸分布。在用经典光进行全面分析后,他们能够确定相位分离光纤目前的局限性,并提出改进其制造的建议,以尽量减少传输过程中的衰减和分辨率的损失。


这项研究的结果表明[2],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工艺具有潜在的吸引力,特别是对于高分辨率内窥镜、纠缠分发和量子密钥分发等领域。


参考链接:

[1]https://www.nature.com/articles/s42005-022-01036-5

[2]https://phys.org/news/2022-11-two-photon-quantum-states-phase-separated-anderson.html