Les systèmes quantiques promettent un calcul in addition rapide et un cryptage in addition fort pour les systèmes de calcul et de interaction. Ces systèmes peuvent être construits sur des réseaux de fibres impliquant des nœuds interconnectés constitués de qubits et de générateurs de photons uniques créant des paires de photons intriqués.
À cet égard, les atomes et ions de terres rares (RE) présents dans les matériaux solides sont très prometteurs en tant que générateurs de photons uniques. Ces matériaux sont compatibles avec les réseaux de fibres et émettent des photons sur une big gamme de longueurs d’onde. En raison de leur substantial gamme spectrale, les fibres optiques dopées avec ces éléments RE pourraient être utilisées dans diverses programs, telles que les télécommunications en espace libre, les télécommunications basées sur les fibres, la génération de nombres aléatoires quantiques et l’analyse d’images à haute résolution. Cependant, jusqu’à présent, des sources lumineuses à photons uniques ont été développées à l’aide de matériaux cristallins dopés au RE à des températures cryogéniques, ce qui limite les purposes pratiques des réseaux quantiques basés sur ceux-ci.
Dans une étude publiée dans le volume 20, numéro 4 de la revue Physical Review Used le 16 octobre 2023, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur agrégé Kaoru Sanaka de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), a développé avec succès une lumière à photon special. supply constituée d’ions ytterbium dopés (Yb3+) dans une fibre optique en silice amorphe à température ambiante. Le professeur agrégé Mark Sadgrove et M. Kaito Shimizu de TUS ainsi que le professeur Kae Nemoto de l’Institut des sciences et systems d’Okinawa faisaient également partie de cette étude. Cette nouvelle source de lumière à photon one of a kind élimine le besoin de systèmes de refroidissement coûteux et a le potentiel de rendre les réseaux quantiques as well as rentables et furthermore accessibles.
« Les sources lumineuses à photons uniques sont des dispositifs qui contrôlent les propriétés statistiques des photons, qui représentent les in addition petites unités énergétiques de la lumière », explique le Dr Sanaka. « Dans cette étude, nous avons développé une source de lumière à photon exceptional utilisant un matériau de fibre optique dopé avec des éléments RE optiquement actifs. Nos expériences révèlent également qu’une telle source peut être générée directement à partir d’une fibre optique à température ambiante. »
L’ytterbium est un élément RE doté de propriétés optiques et électroniques favorables, ce qui en fait un candidat approprié pour le dopage de la fibre. Il a une structure de niveau d’énergie simple et l’ion ytterbium dans son état excité a une longue durée de vie de fluorescence, d’environ une milliseconde.
Pour fabriquer la fibre optique dopée à l’ytterbium, les chercheurs ont effilé une fibre dopée à l’ytterbium disponible dans le commerce en utilisant une approach de chaleur et de traction, dans laquelle une section de la fibre est chauffée puis tirée avec pressure pour réduire progressivement son diamètre.
Dans la fibre effilée, les atomes RE individuels émettent des photons lorsqu’ils sont excités par un laser. La séparation entre ces atomes RE joue un rôle very important dans la définition des propriétés optiques de la fibre. Par exemple, si la séparation moyenne entre les atomes RE individuels dépasse la limite de diffraction optique, qui est déterminée par la longueur d’onde des photons émis, la lumière émise par ces atomes semble provenir d’amas plutôt que de sources individuelles distinctes.
Pour confirmer la mother nature de ces photons émis, les chercheurs ont utilisé une méthode analytique appelée auto-corrélation, qui évalue la similitude entre un sign et sa edition retardée. En analysant le modèle de photons émis par autocorrélation, les chercheurs ont observé des émissions non résonantes et ont en outre obtenu des preuves de l’émission de photons à partir d’un seul ion ytterbium dans le filtre dopé.
Bien que la qualité et la quantité de photons émis puissent être encore améliorées, la fibre optique développée avec des atomes d’ytterbium peut être fabriquée sans avoir recours à des systèmes de refroidissement coûteux. Cela surmonte un impediment significant et ouvre les portes à diverses systems d’information quantique de nouvelle génération. « Nous avons démontré une supply de lumière à photon exclusive à faible coût avec une longueur d’onde sélectionnable et sans avoir besoin d’un système de refroidissement. À l’avenir, elle peut permettre diverses systems d’information quantique de nouvelle génération telles que de véritables générateurs de nombres aléatoires, la interaction quantique, la logique quantique. opérations et analyse d’images haute résolution au-delà de la limite de diffraction », conclut le Dr Sanaka.
