Транспортировка двухфотонных квантовых состояний света через оптическое волокно локализации Андерсона с фазовым разделением
В конце 50-х годов физик Филип У. Андерсон (который также внес важный вклад в физику элементарных частиц и сверхпроводимость) предсказал то, что сейчас называется локализацией Андерсона. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике 1977 года. Андерсон теоретически показал, при каких условиях электрон в неупорядоченной системе может либо свободно перемещаться по системе в целом, либо быть привязанным к определенному положению как «локализованный электрон». Эта неупорядоченная система может быть, например, полупроводником с примесями.
Схематический обзор волокна локализации Андерсона с фазовым разделением в качестве квантового канала между передатчиком и приемником. Иллюстрация показывает, что квантовые корреляции, такие как запутанность, сохраняются во время передачи от передатчика (генерация) к приемнику (обнаружение) на всем протяжении волокна. Предоставлено: ICFO/А. Куэвас.
Изобретенное в 1970 году компанией Corning Incorporated оптическое волокно с малыми потерями стало лучшим средством для эффективной передачи информации из одного места в другое на большие расстояния без потери информации. В настоящее время наиболее распространенным способом передачи данных является использование обычных оптических волокон — информация передается по одному основному каналу. Однако с экспоненциальным ростом объема генерируемых данных эти системы достигают пределов пропускной способности информации.
Таким образом, исследования в настоящее время сосредоточены на поиске новых способов использования полного потенциала волокон путем изучения их внутренней структуры и применения новых подходов к генерации и передаче сигналов. Более того, применение квантовых технологий становится возможным благодаря расширению этого исследования от классического до квантового света .
В конце 50-х годов физик Филип У. Андерсон (который также внес важный вклад в физику элементарных частиц и сверхпроводимость) предсказал то, что сейчас называется локализацией Андерсона. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике 1977 года. Андерсон теоретически показал, при каких условиях электрон в неупорядоченной системе может либо свободно перемещаться по системе в целом, либо быть привязанным к определенному положению как «локализованный электрон». Эта неупорядоченная система может быть, например, полупроводником с примесями.
Позже тот же теоретический подход был применен к различным неупорядоченным системам, и был сделан вывод, что свет также может испытывать локализацию Андерсона. Проведенные в прошлом эксперименты продемонстрировали локализацию Андерсона в оптических волокнах, реализуя удержание или локализацию света — классического или обычного света — в двух измерениях при его распространении в третьем измерении. Хотя эти эксперименты показали успешные результаты с классическим светом, до сих пор никто не тестировал такие системы с квантовым светом — светом, состоящим из квантово-коррелированных состояний. То есть до недавнего времени.
В исследовании, опубликованном в журнале Communications Physics, исследователи ICFO Александр Демут, Робинг Кампхаузен, Альваро Куэвас под руководством профессора ICREA Валерио Прунери в сотрудничестве с Ником Боррелли, Томасом Сьюардом, Лизой Ламберсон и Карлом В. Кохом из Corning вместе с Алессандро Руджери из Micro Photon Devices (MPD) и Федерика Вилла и Франческа Мадонини из Миланского политехнического университета смогли успешно продемонстрировать перенос двухфотонных квантовых состояний света через оптическое волокно локализации Андерсона с фазовым разделением (PSF).
Обычное оптическое волокно и волокно для локализации Андерсона
В отличие от обычных одномодовых оптических волокон, в которых данные передаются через одну сердцевину, волокно с фазовым разделением (PSF) или волокно для локализации Андерсона с фазовым разделением состоит из множества стеклянных нитей, встроенных в стеклянную матрицу с двумя разными показателями преломления.
Во время его изготовления, когда боросиликатное стекло нагревается и плавится, оно вытягивается в волокно, где одна из двух фаз с разными показателями преломления имеет тенденцию формировать удлиненные стеклянные нити. Поскольку в материале есть два показателя преломления, это создает так называемый латеральный беспорядок, который приводит к поперечной (двухмерной) андерсоновской локализации света в материале.
Компания Corning, являющаяся экспертом в области производства оптических волокон, создала оптическое волокно, способное распространять несколько оптических лучей по одному оптическому волокну за счет использования локализации Андерсона. В отличие от пучков многожильных волокон, этот PSF оказался очень подходящим для таких экспериментов, поскольку по волокну может распространяться множество параллельных оптических лучей с минимальным расстоянием между ними.
Команда ученых, специалистов по квантовым коммуникациям, хотела максимально эффективно передавать квантовую информацию через оптическое волокно Corning с фазовым разделением. В эксперименте PSF соединяет передатчик и приемник. Передатчик представляет собой квантовый источник света (создан ICFO). Источник генерирует квантово-коррелированные пары фотонов посредством спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC) в нелинейном кристалле, где один фотон высокой энергии преобразуется в пары фотонов, каждый из которых имеет более низкую энергию.
Пары низкоэнергетических фотонов имеют длину волны 810 нм. Из-за сохранения импульса возникает пространственная антикорреляция. Приемник представляет собой матричную камеру с однофотонным лавинным диодом (SPAD), разработанную Polimi и MPD. Матричная камера SPAD, в отличие от обычных CMOS-камер, настолько чувствительна, что может обнаруживать одиночные фотоны с чрезвычайно низким уровнем шума; он также имеет очень высокое временное разрешение, так что время прибытия одиночных фотонов известно с высокой точностью.
Квантовый свет
Команда ICFO разработала оптическую установку для отправки квантового света через волокно локализации Андерсона с фазовым разделением и обнаружила его прибытие с помощью матричной камеры SPAD. Массив SPAD позволил им не только обнаруживать пары фотонов, но и идентифицировать их как пары, поскольку они приходят в одно и то же время (совпадают).
Поскольку пары квантово коррелированы, знание того, где обнаружен один из двух фотонов, говорит нам о местонахождении другого фотона. Команда проверила эту корреляцию прямо до и после отправки квантового света через PSF, успешно показав, что пространственная антикорреляция фотонов действительно сохраняется.
После этой демонстрации команда ICFO решила показать, как улучшить свои результаты в будущей работе. Для этого они провели масштабный анализ, чтобы выяснить оптимальное распределение размеров вытянутых стеклянных нитей для длины волны квантового света 810 нм. После тщательного анализа с классическим светом они смогли определить существующие ограничения волокна с фазовым разделением и предложить улучшения его изготовления, чтобы свести к минимуму затухание и потерю разрешения во время транспортировки.
Результаты этого исследования показали, что этот подход потенциально привлекателен для масштабируемых процессов изготовления в реальных приложениях в квантовой визуализации или квантовых коммуникациях, особенно в областях эндоскопии высокого разрешения, распределения запутывания и распределения квантовых ключей.
