محققان دانشگاه علوم توکیو با ایجاد موفقیت آمیز یک منبع نوری تک فوتونی با استفاده از فیبرهای نوری دوپ شده با ایتربیوم در دمای اتاق، به پیشرفت قابل توجهی در توسعه شبکه های کوانتومی دست یافته اند. این مطالعه که در Physical Review Applied منتشر شده است، نیاز به سیستم های خنک کننده گران قیمت را از بین می برد و راه را برای شبکه های کوانتومی مقرون به صرفه و در دسترس هموار می کند.
سیستم‌های مبتنی بر کوانتوم نوید بزرگی برای محاسبات سریع‌تر و رمزگذاری قوی‌تر دارند. این سیستم ها برای ایجاد جفت فوتون های درهم تنیده به گره های به هم پیوسته با کیوبیت ها و ژنراتورهای تک فوتونی متکی هستند. اتم‌ها و یون‌های خاکی کمیاب (RE) در مواد حالت جامد به دلیل سازگاری با شبکه‌های فیبری و توانایی آنها در گسیل فوتون‌ها در طیف وسیعی از طول‌موج‌ها، به‌عنوان مولدهای تک فوتونی بسیار امیدوارکننده ظاهر شده‌اند.
با این حال، منابع نور تک فوتون قبلی که از مواد کریستالی دوپ شده RE استفاده می‌کردند، به دماهای برودتی نیاز داشتند که کاربرد عملی آنها را محدود می‌کرد. در این مطالعه، محققان با موفقیت یک منبع نور تک فوتون را با استفاده از یون های ایتربیوم دوپ شده (Yb3+) در فیبر نوری سیلیس آمورف (amorphous silica optical fiber) در دمای اتاق توسعه دادند. فیبرهای نوری دوپ شده با ایتربیوم خواص نوری و الکترونیکی مطلوبی را ارائه می دهند و آنها را برای کاربردهای کوانتومی مناسب می کند.
برای ایجاد فیبر نوری دوپ شده با ایتربیوم، محققان از یک تکنیک گرما و کشش برای باریک کردن فیبر تجاری موجود استفاده کردند. در داخل فیبر مخروطی، یون‌های ایتربیوم منفرد در هنگام تحریک با لیزر فوتون‌هایی ساطع می‌کنند و جدایی بین این یون‌ها نقش مهمی در تعیین خواص نوری فیبر دارد.
محققان ماهیت فوتون های ساطع شده را با استفاده از روشی تحلیلی به نام خودهمبستگی (autocorrelation) تایید کردند. با تجزیه و تحلیل الگوی فوتون ساطع شده، آنها انتشارات غیررزونانسی را مشاهده کردند و شواهدی از گسیل فوتون از یون های ایتربیوم منفرد در فیبر دوپ شده به دست آوردند.
پیشرفت در ایجاد یک منبع نور تک فوتون در دمای اتاق بدون نیاز به سیستم های خنک کننده مانع قابل توجهی در توسعه شبکه های کوانتومی غلبه می کند. این پیشرفت همچنین بستر لازم بهتری را برای فناوری‌های اطلاعات کوانتومی مختلف، از جمله مولدهای اعداد تصادفی واقعی، ارتباطات کوانتومی، عملیات منطقی کوانتومی، و تجزیه و تحلیل تصویر با وضوح بالا فراتر از حد پراش فراهم می‌کند.
این پلت فرم پایدار و مقرون به صرفه ارائه شده توسط فیبر نوری دوپ شده با ایتربیوم، امکان تحقق سیستم های حالت جامد را برای شبکه های نوری کوانتومی در مقیاس بزرگ و سایر فناوری های کوانتومی که بر طیف گسترده ای از کانال های طیفی از طول موج مرئی تا مادون قرمز میانی متکی هستند، می دهد.
محققان پیش‌بینی می‌کنند که پیشرفت‌های بیشتری در کیفیت و کمیت فوتون‌های ساطع شده، توسعه فناوری‌های اطلاعات کوانتومی نسل بعدی را پیش ببرد. این پیشرفت ما را یک قدم به استفاده از قدرت شبکه‌های کوانتومی به شیوه‌ای در دسترس و عملی‌تر نزدیک‌تر می‌کند.
منبع
Mikio Takezawa et al, Room-temperature addressing of single rare-earth atoms in optical fiber, Physical Review Applied (2023). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.044038
