Оптоволокна, легированные иттрием, открывают путь к более доступным и экономичным квантовым технологиям. Квантовые системы обещают ускорить вычисления и улучшить шифрование для вычислительных и коммуникационных систем. Такие системы могут быть построены на основе волоконных сетей, которые связывают узлы, состоящие из кубитов и генераторов одиночных фотонов, создающих запутанные пары фотонов.
Одним из перспективных решений являются атомы редкоземельных элементов (RE), таких как иттрий (Yb3+), которые могут выступать в роли генераторов одиночных фотонов. Эти материалы совместимы с волоконными сетями и излучают фотоны в широком диапазоне длин волн. Из-за этого такие материалы могут использоваться в различных приложениях, таких как телекоммуникации, квантовые генераторы случайных чисел и высокоточное изображение.
Однако до недавнего времени источники одиночных фотонов на основе редкоземельных материалов создавались только в кристаллических структурах при криогенных температурах, что ограничивало их практическое применение в квантовых сетях.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Applied, команда учёных из Токийского университета наук под руководством доцента Каору Санаки разработала источник одиночных фотонов на основе оптического волокна с легированными ионами иттрия при комнатной температуре. К исследованию также присоединились доцент Марк Садгроув и профессор Кэе Нэмото из Окинавского института науки и технологий. Новый источник не требует дорогостоящих систем охлаждения, что делает квантовые сети более доступными и экономичными.
«Источники одиночных фотонов — это устройства, контролирующие статистические свойства фотонов, которые представляют собой мельчайшие энергетические единицы света», — объясняет доктор Санка. «Наши эксперименты показали, что такой источник можно создать прямо из оптоволокна при комнатной температуре».
Для создания источника ученые использовали метод нагрева и вытягивания, чтобы уменьшить диаметр волокна. В процессе экспериментов было установлено, что отдельные атомы редкоземельных элементов в волокне излучают фотоны при возбуждении лазером.
Исследователи также применили метод автокорреляции для анализа характера излученных фотонов, что подтвердило факт эмиссии фотонов от отдельных ионов иттрия в оптическом волокне.
Данный источник может быть использован в таких квантовых технологиях, как генераторы истинных случайных чисел, квантовые коммуникации и квантовые логические операции, не требуя дорогостоящего охлаждения.