适合量子计算时代的光纤

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2024-07-31 10:05:14

英国巴斯大学的物理研究者开发了新一代专业光纤，以应对未来量子计算时代预计将出现的数据传输挑战。Rusimova 博士等人在7月29日发表于Applied Physics Letters Quantum 的一篇学术论文中描述了巴斯制造的最先进的光纤，以及新兴量子计算领域最近和未来的其他发展。

适合量子计算时代的光纤

量子技术有望提供无与伦比的计算能力，使我们能够解决复杂的逻辑问题，开发新的药物，并为安全通信提供牢不可破的加密技术。然而，由于其光纤的固体核心，如今用于全球信息传输的电缆网络很可能不是量子通信的最佳选择。

与普通光纤不同，巴斯制造的特种光纤具有微结构纤芯，由贯穿光纤全长的复杂气孔图案组成。

「传统光纤是当今电信网络的主力，其传输光的波长完全受硅玻璃损耗的影响。然而，这些波长与光量子技术所需的单光子源、量子比特和有源光学元件的工作波长不兼容。」巴斯物理系的Kristina Rusimova博士说。

Rusimova 博士补充说：「光纤设计和制造是巴斯大学物理系研究的前沿，我们以量子计算机为目标开发的光纤为未来的数据传输需求奠定了基础。」

适合量子计算时代的光纤

(a) 基于 PCF 中 FWM 的预示单光子源的典型配置。未使用的泵浦光被光纤布拉格光栅剔除，非enerate 信号和惰性光通过光纤波分复用器分离。一个光子可被检测到，以预示其孪生光子的到来。 (b) 自发 FWM 通过两个泵浦光子的湮灭以及它们的能量和动量重新分配到信号光子和惰光子上，产生光子对（注意，这些图中省略了对相位匹配的小非线性修正）。(c) 布拉格散射 FWM 可以将源光子 s 转换为目标波长 t。

量子纠缠

光是一种很有前途的量子计算介质。被称为光子的单个光粒子具有一些独特的量子特性，可以被量子技术所利用。其中一个例子就是量子纠缠，即相隔很远的两个光子不仅拥有彼此的信息，还能瞬间影响对方的属性。与经典计算机的二进制位（要么是 1，要么是 0）不同，纠缠光子对实际上可以同时作为 1 和 0 存在，从而释放出巨大的计算能力。

Cameron McGarry博士是巴斯大学的物理学者，也是这篇论文的第一作者，他认为「量子互联网是实现这种新兴量子技术巨大前景的基本要素。」

「与现有的互联网一样，量子互联网将依靠光纤在节点与节点之间传递信息。这些光纤很可能与目前使用的光纤截然不同，需要不同的支持技术才能发挥作用」。

在他们的观点中，研究人员从光纤技术的角度讨论了量子互联网的相关挑战，并提出了一系列潜在的解决方案，以实现一个强大的、大范围的量子网络的可扩展性。

这既包括将用于远距离通信的光纤，也包括可直接集成到网络中的量子中继器的特种光纤，以便延长这项技术的运行距离。

超越连接节点

研究还介绍了特种光纤如何通过充当纠缠单光子源、量子波长转换器、低损耗开关或量子存储器容器，超越连接网络节点的范围，在节点本身实现量子计算。

McGarry博士说：「与标准的电信光纤不同，在巴斯制造的特种光纤具有微结构纤芯，由沿光纤全长分布的复杂气穴图案组成。」

「这些气孔的图案使研究人员能够操纵光纤内部光的特性，并产生纠缠的光子对、改变光子的颜色，甚至在光纤内部捕获单个原子。」

适合量子计算时代的光纤

(a) 单模相干态的 Wigner 函数在克尔效应下的演化示意图。强度 I 的量子波动被映射到相位演化 ϕ 上，从而形成一个具有挤压轴的椭圆形准概率分布。(b) 退化 STRIG（上）和退化光子对生成（下）的波长方案。在 STRIG 中，频率为ωp = 3ωs的单泵浦光子被湮灭，其能量转移到频率为 ωs 的三个信号光子上。在光子对产生过程中，ωp 和 ωq 处泵浦中的两个光子发生湮灭，在它们的平均频率上产生一对退行性光子对。(c)和(d) 微结构设计的灵活性可以实现极端的色散工程。这种混合 PCF 相位匹配，可在 520 纳米和 1560 纳米之间产生自发光子三重子（或三次谐波）。

物理系博士后研究员 Kerrianne Harrington 博士说：「世界各地的研究人员正在以行业感兴趣的方式，在微结构光纤的功能方面取得快速而令人兴奋的进步。」

「我们的观点描述了这些新型光纤令人兴奋的进步，以及它们如何有益于未来的量子技术。」

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