Τα κβαντικά συστήματα υπόσχονται ταχύτερους υπολογισμούς και ισχυρότερη κρυπτογράφηση για συστήματα υπολογισμού και επικοινωνίας. Αυτά τα συστήματα μπορούν να κατασκευαστούν σε δίκτυα οπτικών ινών που περιλαμβάνουν διασυνδεδεμένους κόμβους που αποτελούνται από qubits και γεννήτριες ενός φωτονίου που δημιουργούν μπερδεμένα ζεύγη από φωτόνια.
Από αυτή την άποψη, τα άτομα και τα ιόντα σπανίων γαιών σε υλικά στερεής κατάστασης είναι πολλά υποσχόμενα ως γεννήτριες μονοφωτονίων.
Λόγω του μεγάλου φασματικού τους εύρους, οι οπτικές ίνες με αυτά τα στοιχεία σπανίων γαιών θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές, όπως τηλεπικοινωνίες ελεύθερου χώρου, τηλεπικοινωνίες βασισμένες σε ίνες, παραγωγή κβαντικών τυχαίων αριθμών και ανάλυση εικόνας υψηλής ανάλυσης.
Ωστόσο, μέχρι στιγμής, έχουν αναπτυχθεί πηγές φωτός ενός φωτονίου με χρήση κρυσταλλικών υλικών που έχουν εμποτιστεί με RE σε κρυογονικές θερμοκρασίες, γεγονός που περιορίζει τις πρακτικές εφαρμογές των κβαντικών δικτύων που βασίζονται σε αυτά.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Applied τον Οκτώβριο, μια ομάδα ερευνητών από την Ιαπωνία, με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή Kaoru Sanaka από το Tokyo University of Science (TUS) ανέπτυξε με επιτυχία ένα φως ενός φωτονίου. Πηγή που αποτελείται από ντοπαρισμένα ιόντα υττερβίου (Yb3+) σε άμορφη οπτική ίνα πυριτίου σε θερμοκρασία δωματίου.
Ο αναπληρωτής καθηγητής Mark Sadgrove και ο κ. Kaito Shimizu από το TUS και ο καθηγητής Kae Nemoto από το Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University ήταν επίσης μέρος αυτής της μελέτης.
Αυτή η πρόσφατα αναπτυγμένη πηγή φωτός μονοφωτονίου εξαλείφει την ανάγκη για ακριβά συστήματα ψύξης και έχει τη δυνατότητα να κάνει τα κβαντικά δίκτυα πιο οικονομικά και προσβάσιμα.
Το υττέρβιο είναι ένα στοιχείο σπανίων γαιών με ευνοϊκές οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες, καθιστώντας το κατάλληλο υποψήφιο για διέγερση της ίνας.
Έχει μια απλή δομή σε επίπεδο ενέργειας και το ιόν υττερβίου στη διεγερμένη του κατάσταση έχει μεγάλη διάρκεια ζωής φθορισμού περίπου ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου.
Για να κατασκευάσουν την οπτική ίνα με πρόσμειξη υττερβίου, οι ερευνητές περιέκοψαν μια εμπορικά διαθέσιμη ίνα πρόσμειξη με υττέρβιο χρησιμοποιώντας μια τεχνική θερμότητας και έλξης, όπου ένα τμήμα της ίνας θερμαίνεται και στη συνέχεια τραβιέται με τάση για να μειωθεί σταδιακά η διάμετρός της.
Μέσα στην κωνική ίνα, μεμονωμένα άτομα σπανίων γαιών εκπέμπουν φωτόνια όταν διεγείρονται με λέιζερ.
Ο διαχωρισμός μεταξύ αυτών των ατόμων σπανίων γαιών παίζει καθοριστικό ρόλο στον καθορισμό των οπτικών ιδιοτήτων της ίνας.
Για παράδειγμα, εάν ο μέσος διαχωρισμός μεταξύ των επιμέρους ατόμων σπανίων γαιών υπερβαίνει το όριο οπτικής περίθλασης, το οποίο καθορίζεται από το μήκος κύματος των εκπεμπόμενων φωτονίων, το εκπεμπόμενο φως από αυτά τα άτομα φαίνεται σαν να προέρχεται από σμήνη και όχι από ξεχωριστές μεμονωμένες πηγές.
Για να επιβεβαιώσουν τη φύση αυτών των εκπεμπόμενων φωτονίων, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια αναλυτική μέθοδο γνωστή ως αυτοσυσχέτιση, η οποία αξιολογεί την ομοιότητα μεταξύ ενός σήματος και της καθυστερημένης εκδοχής του.
Αναλύοντας το εκπεμπόμενο μοτίβο φωτονίων χρησιμοποιώντας αυτοσυσχέτιση, οι ερευνητές παρατήρησαν μη συντονισμένες εκπομπές και έλαβαν περαιτέρω στοιχεία εκπομπής φωτονίων από το μεμονωμένο ιόν υττερβίου στο ντοπαρισμένο φίλτρο.
Ενώ η ποιότητα και η ποσότητα των εκπεμπόμενων φωτονίων μπορούν να βελτιωθούν περαιτέρω, η ανεπτυγμένη οπτική ίνα με άτομα υττερβίου μπορεί να κατασκευαστεί χωρίς την ανάγκη για ακριβά συστήματα ψύξης. Αυτό ξεπερνά ένα σημαντικό εμπόδιο και ανοίγει πόρτες σε διάφορες κβαντικές τεχνολογίες πληροφοριών επόμενης γενιάς. «Έχουμε επιδείξει μια χαμηλού κόστους πηγή φωτός ενός φωτονίου με επιλέξιμο μήκος κύματος και χωρίς την ανάγκη για σύστημα ψύξης. Προχωρώντας, μπορεί να ενεργοποιήσει διάφορες κβαντικές τεχνολογίες πληροφοριών επόμενης γενιάς, όπως γεννήτριες πραγματικών τυχαίων αριθμών, κβαντική επικοινωνία, κβαντική λογική λειτουργίες και ανάλυση εικόνας υψηλής ανάλυσης πέρα από το όριο περίθλασης», καταλήγει ο Dr. Sanaka.
Επιστημονικό Άρθρο:
Mikio Takezawa, Ryota Suzuki, Junichi Takahashi, Kaito Shimizu, Ayumu Naruki, Kazutaka Katsumata, Kae Nemoto, Mark Sadgrove, Kaoru Sanaka. Room-temperature addressing of single rare-earth atoms in optical fiber. Physical Review Applied, 2023
