Угроза для существующих систем связи
С развитием квантовых компьютеров под угрозой оказывается безопасность наших нынешних систем связи. Квантовые компьютеры смогут взломать многие методы шифрования, используемые в современных системах связи. Чтобы противостоять этому, учёные разрабатывают квантовые системы связи, которые используют квантовую механику для обеспечения более высокого уровня безопасности. Ключевым элементом таких систем является источник одиночных фотонов — устройство, генерирующее только одну частицу света за раз.
Принцип работы квантовых систем связи
Фотоны, несущие квантовую информацию, затем передаются по оптическим волокнам. Для работы квантовых систем связи важно, чтобы одиночные фотоны вводились в оптические волокна с крайне низкими потерями.
Проблемы существующих систем
В традиционных системах одиночные фотоны генерируются вне волокна с помощью излучателей, таких как квантовые точки и ионы редкоземельных элементов. Затем фотоны должны быть направлены в волокно. Однако не все фотоны попадают в волокно, что приводит к высоким потерям при передаче.
Новое решение
Группа исследователей под руководством доцента Каору Санака из физического факультета Токийского университета науки (TUS) в Японии нашла решение этой проблемы. Они разработали высокоэффективный источник одиночных фотонов, в котором фотоны генерируются непосредственно внутри оптического волокна. В этом методе селективно возбуждается один атом.
«В нашем подходе одиночный изолированный ион редкоземельного элемента, заключённый в коническое оптическое волокно, селективно возбуждается лазером для генерации одиночных фотонов», — объясняет доктор Санака.
«В отличие от традиционных подходов, где генерация и передача одиночных фотонов — это отдельные этапы, здесь одиночные фотоны могут генерироваться и эффективно направляться непосредственно внутри волокна со значительно сниженными потерями».
Результаты исследования
Команда также включала кандидата наук третьего года обучения г-на Кайто Шимизу и доцента Томо Осаду, также из TUS. Кроме того, доцент Марк Сэдгроув сотрудничал с исследовательской группой, предоставляя волоконные устройства. Их исследование опубликовано в Optics Express.
Команда сначала подготовила волокно из диоксида кремния, легированное ионами неодима (Nd³⁺). Ионы Nd³⁺ были выбраны потому, что они могут излучать фотоны в широком диапазоне длин волн, включая телекоммуникационный стандарт, что делает их универсальными для различных квантовых приложений.
Легированные волокна из диоксида кремния затем сужали с помощью процесса нагрева и протяжки, при котором участок волокна нагревают и тянут, чтобы постепенно уменьшить его толщину. Этот процесс позволил им получить доступ к пространственно разделённым отдельным ионам Nd³⁺ в суженной секции.
В результате был разработан новый подход, при котором один ион Nd³⁺ селективно возбуждается с помощью лазерного излучения при комнатной температуре, генерируя одиночные фотоны непосредственно в направляющую моду волокна. Для тестирования излученные фотоны затем собирали с одного конца волокна.
Используя аналитический подход, называемый автокорреляцией, где фотонный сигнал сравнивается с его задержанной версией, исследователи экспериментально подтвердили, что одновременно испускается только один фотон и что их можно эффективно направлять внутри волокна. Команда также подтвердила, что сужение волокна не изменяет естественные оптические свойства иона.
Примечательно, что результаты показали, что этот новый подход значительно более эффективен при сборе фотонов, чем их предыдущий метод неспецифического возбуждения, когда вместе возбуждалось несколько Nd³⁺. Эффективность сбора может быть повышена ещё больше, если фотоны будут собираться с обеих сторон волокна.
«Наш подход обеспечивает высокоэффективную передачу одиночных фотонов от источника до конца», — отмечает доктор Санака.
Перспективы
Поскольку этот метод использует коммерчески доступные оптические волокна, он экономически эффективен, позволяет выбирать длину волны и прост в интеграции в волоконно-оптическую сеть связи. Кроме того, в отличие от большинства современных квантовых технологий, для которых требуются дорогостоящие криогенные системы, эта система работает при комнатной температуре. Эти особенности могут сделать эту систему сильным кандидатом для квантовых коммуникационных сетей следующего поколения.
Помимо квантовой связи, этот подход может также стать основой для будущих технологий квантовых вычислений.
«Управляя индивидуально несколькими изолированными ионами в одном волокне, можно разработать многокубитный процессор. Это также может позволить реализовать протоколы кодирования кубитов», — добавляет доктор Санака.
Кубит или квантовый бит — это основная единица квантовой информации. Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на улучшении длины волны одиночных фотонов в практических условиях спектроскопии и анализа изображений.
В целом, этот источник одиночных фотонов, соединённый с волокном, представляет собой важный шаг для практических квантовых технологий, прокладывая путь для безопасных, неуязвимых для взлома коммуникационных сетей.
Предоставлено Токийским университетом науки.