光纖在全球范圍內(nèi)的普及不僅提高了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)連接的帶寬，也使全球量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)更加接近。量子互聯(lián)網(wǎng)有助于充分挖掘某些技術(shù)的潛力。其中包括通過(guò)量子處理器和寄存器的連接實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的量子計(jì)算，通過(guò)量子密鑰分配實(shí)現(xiàn)更安全的通信，或通過(guò)原子鐘同步實(shí)現(xiàn)更精確的時(shí)間測(cè)量。

　　然而，1550nm 的玻璃纖維標(biāo)準(zhǔn)與迄今實(shí)現(xiàn)的各種量子比特（量子位）的系統(tǒng)波長(zhǎng)之間的差異是一個(gè)障礙，因?yàn)檫@些量子位大多在可見(jiàn)光或近紅外光譜范圍內(nèi)。研究人員希望借助量子頻率轉(zhuǎn)換來(lái)克服這一障礙，因?yàn)榱孔宇l率轉(zhuǎn)換可以專(zhuān)門(mén)改變光子的頻率，同時(shí)保留所有其他量子特性。這樣就能轉(zhuǎn)換到1550nm 的電信范圍，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的低損耗、遠(yuǎn)距離傳輸。

　　HiFi 項(xiàng)目：量子頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)

　　在德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的聯(lián)合項(xiàng)目“HiFi——基于創(chuàng)新激光、光纖和生產(chǎn)技術(shù)的高集成度、高保真量子頻率轉(zhuǎn)換器”研究項(xiàng)目中，研究人員正致力于實(shí)現(xiàn)所有必要技術(shù)，為初始測(cè)試軌道提供高效率、低噪聲的量子頻率轉(zhuǎn)換器（QFK）。弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所（IAF）成功開(kāi)發(fā)了基于銻化鎵（GaSb）的盤(pán)狀激光器（也稱(chēng)為垂直腔面發(fā)射激光器，VECSEL），為該項(xiàng)目做出了貢獻(xiàn)。這是一種光泵浦表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，帶有外部諧振器和腔內(nèi)濾波器，用于選擇波長(zhǎng)。

　　輸出功率為2.4W，頻率絕對(duì)穩(wěn)定在100kHz以下

　　“作為HiFi 的一部分，我們開(kāi)發(fā)的VECSEL 是光譜窄帶泵浦源，根據(jù)所使用的量子比特的輸出波長(zhǎng)，可具體覆蓋1.9至2.5μm的波長(zhǎng)，輸出功率高達(dá)2.4W，絕對(duì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性低于2fm。這相當(dāng)于頻率穩(wěn)定度小于100 kHz，明顯低于頻率穩(wěn)定度等級(jí)1E-9。這一成果創(chuàng)下了此類(lèi)激光器的國(guó)際記錄。”弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所光電部門(mén)負(fù)責(zé)人、HiFi子項(xiàng)目協(xié)調(diào)員Marcel Rattunde 博士解釋說(shuō)。

　　“這一成果的取得得益于與項(xiàng)目合作伙伴MENLOSystems GmbH 公司的密切合作，”Rattunde 強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“我們一起將盤(pán)式激光器鎖定到一個(gè)頻率梳上，而頻率梳又與一個(gè)10 兆赫的基準(zhǔn)耦合。”在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將發(fā)射波長(zhǎng)精確設(shè)定為薩爾大學(xué)光纖鏈路演示實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)波長(zhǎng)（2062.40nm），弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所已將激光模塊移交給薩爾大學(xué)。除了功率縮放，研究所在HiFi項(xiàng)目中最重要的研究任務(wù)是精確了解激光器的模式行為，以及識(shí)別和消除噪聲源。

　　使用泵浦激光器進(jìn)行量子頻率轉(zhuǎn)換

　　在量子頻率轉(zhuǎn)換中，泵浦光子的能量通過(guò)非線性光學(xué)晶體中的差頻過(guò)程從信號(hào)光子中減去。為確保低噪聲過(guò)程，泵浦光子的能量必須低于目標(biāo)波長(zhǎng)（通常為1550nm），否則泵浦激光器會(huì)因寄生效應(yīng)在輸出信號(hào)中產(chǎn)生光子。結(jié)合MENLO 梳頻器，弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所開(kāi)發(fā)的VECSEL 可以滿足量子頻率轉(zhuǎn)換的高要求，因?yàn)樗恼瓗捄筒ㄩL(zhǎng)穩(wěn)定性可以防止泵浦波長(zhǎng)的波動(dòng)，從而防止量子比特目標(biāo)波長(zhǎng)的變化。如果出現(xiàn)超過(guò)自然線寬的偏差，量子比特將不再是不可區(qū)分的，這將消除后續(xù)量子力學(xué)處理的基本要求。

關(guān)注讀覽天下微信， 100萬(wàn)篇深度好文， 等你來(lái)看……