mile米乐中国官方网站 开发超宽带压缩光源和探测技术，实现创新量子通信

国立信息通信技术研究所（以下简称“NICT”，会长：坂内正夫）与米乐m6官方网站（以下简称“AIST”，会长：中钵良二）、上智大学、学习院大学合作，开发光纤通信波长带的超宽带压缩光源挤压光具有高精度。压缩光的噪声比激光低，可实现比现有技术高1000倍以上的高容量通信量子信息通信和光学测量，这一结果有望加速这些技术的实际应用的研究和开发。

　这一成果发表在英国科学杂志``科学报告」（自然出版集团)（电子版：英国时间 4 月 3 日星期四上午 10:00）。

　*本研究得到了内阁府高级研究开发支援计划（FIRST计划）的“量子信息处理项目”的部分支持。
 

各机构的角色分工

• NICT：负责压缩光源、光波导系统、超导探测系统整个实验系统的设计、搭建、实验和数据分析
• 日本科学技术协会：负责超导转变边缘检测元件的开发及其性能评估
• 上智大学、学习院大学：联合开发压缩光源评估方法

　覆盖从近红外区到光通信波段的宽波长范围的光源适合大容量光通信光学相干断层扫描、光谱、传感等领域，目前已开发出波长范围为1000纳米以上的光源。由于压缩光的噪声比激光小，因此有望作为实现量子信息通信的光源投入实用，从而实现通信容量的革命性增长，并大幅提高光学测量的精度。然而，在宽波长带上产生压缩光并精确测量光子数量是很困难的，迄今为止这还不可能，特别是在光纤通信波长带中。

　这次，我们开发了一种超宽带压缩光源，可以在光纤通信频段产生波长宽度为110 nm（频率宽度为134 THz）的压缩光，是传统方法的10倍以上，并且可以超高灵敏度地检测压缩光超导过渡边缘传感器的光子数识别技术。另外，这是世界上第一个挤压光光子由偶数个光子组成（偶光子性）的特殊性质。

　迄今为止观察到的压缩光波长带为10 nm或更小（例如参考文献1），但通过将该带一次性扩展10倍以上，我们证明了通过波长复用提高量子通信容量的可行性。此外，通过在重要的光纤通信波段实现这一点，可以将其与廉价、高性能的光学元件相结合，从而可以将停留在实验室水平的研究和开发转移到光纤测试台上的经验开发。预计这将加速旨在利用量子技术实现大容量光通信和超高精度光学测量的研究和开发。

图：宽带压缩光源（顶部），超导跃迁边缘传感器（底部）

　未来，我们将进一步提高压缩光源和光子数识别技术的性能，致力于提高光学测量的精度，完善光纤网络节点处理，我们将继续进行研究和开发，以实现更低功耗和更高容量的光通信。

超宽带压缩光与超导跃迁边缘传感器实验设备配置及特性

图1：实验设备示意图

　实验设备的配置如图1所示。将激光器的基波（波长1,535 nm）转换为双波（波长7675 nm）并用作泵浦光来激发非线性光学晶体。非线性光学晶体采用周期性极化磷酸钛氧钾（PPKTP）晶体，具有低光学损耗。通过调整PPKTP晶体中的相位匹配条件，可以产生具有极宽波长范围的压缩光。宽带压缩光通过光纤引导至放置在冰箱内的超导跃迁边缘传感器，该传感器测量光脉冲中包含的光子数量。理想情况下，将测量偶数个压缩光子，因为两个压缩光子是从一个输入光子生成的。

图 2：生成的压缩光的波长谱

　图 2 显示了生成的压缩光的波长分布。绿色是使用光谱仪的测量结果，由于光谱仪的检测特性，形状不对称。如果光谱仪得到完美表征，则预期的波长分布将是对称的（以蓝色显示），并且波长范围预计将扩展至 150 nm。红色图表示用作基波的激光的波长分布。

图3：超导跃迁边缘传感器的特性

图3a显示了超导跃迁边缘传感器的信号输出波形，图3b显示了波长与检测效率的特性。图3a显示，当光脉冲输入传感器时，输出信号波形是离散的。这对应于光脉冲中包含的光子数量是离散的，例如一个、两个等（光子的粒子性）。在实验中，我们测量了每个光脉冲中包含的光子数量并创建了频率分布（如下图 4a 所示）。图 3b 显示了传感器检测效率的测量波长依赖性。由此可以看出，我们使用的TES在1,510 nm至1,580 nm范围内的量子效率超过90%，即使在1,620 nm处检测效率也高达75%。

图4：超宽带压缩光的光子数分布

图4显示了超宽带压缩光的光子数分布。图4a显示了检测到光脉冲时从TES获得的电信号峰值的频率分布。图 4a 中的插值图通过对每个间隔的这些值进行积分来显示每个光子的频率分布。接下来，通过根据该插值数据校正实验参数的缺陷而获得的统计数据如图4b所示。从图4b可以看出，光源主要只包含偶数光子，如0、2、4等。图4c显示，对于获得的光子统计量Krishko(克雷什科的判断条件Kn) 的结果。对于经典光（例如减弱的正常激光束），该指数永远不会低于 1，但在图 4c 中我们看到，对于偶数光子，该​​指数会低于 1。这可以说反映了压缩光的均匀光子性质。

参考文献：
（1）T。 Gerrits 等人，“在电信波长上生成简并、可因式分解、脉冲压缩光”，选项。快递 19, 24434 (2011).
*此处使用传输频带为86 nm的带通滤波器。如上例所示，在过去对压缩光的观察中，即使在最宽的波段，波长范围也在 10 nm 或更小。

*1 挤压光

激光是一种相位最纯净的波，但波在某一时刻某一点的振幅值（通常是x_φ)，并且它总是伴随着“模糊”或波动。这种涨落是由量子力学的不确定性原理引起的，称为量子涨落，原则上不可能完全消除。然而，可以抑制特定相位区域（时间间隔）内的量子涨落。另一方面，其他相位（更准确地说，相隔 90 度的相位）的波动变得更大。以这种方式人为控制量子涨落的光就是压缩光。如果通过适当地选择利用压缩光抑制量子涨落的相位区域来执行信息处理，则不受量子涨落限制的先进信息处理成为可能。理想情况下，压缩光由偶数个光子组成，例如 2、4、6 等（参见下面的 *5）。[返回来源]

图(a) 理想激光的量子涨落。与相位无关 (b) 压缩光的量子涨落。每180度的相位可以抑制量子涨落。

*2 量子信息通信

当前的信息和通信系统是基于电磁学、光学等经典力学设计的，但通过将信息操纵原理扩展到量子力学，以前不可能的新功能，例如无法窃听的加密通信（量子密码学）和终极低功耗、大容量通信（量子通信）将成为可能。这些统称为量子信息通信。[返回来源]

*3 光学相干断层扫描

光学相干断层扫描 (光学相干断层扫描：OCT)是一种利用红外干涉获得生物组织断层图像的方法。可以获得距表面约1mm至2mm深度处的组织的断层图像，分辨率约为10μm。目前，OCT正在实用化用于视网膜诊断。[返回来源]

*4 超导过渡边缘传感器

超导过渡边缘传感器 (过渡边缘传感器：TES)是一种使用超导体的光电探测器，可以计算光脉冲中包含的光子数量。近年来，性能有所提高，检测效率现已接近100%。超导体从常态转变为超导态的中间温度区域称为过渡边缘，由于该区域的超导体输出与其吸收的光子数量成正比的电信号，因此可以通过读出该电信号来精确测量光子数量。[返回来源]

*5 个光子

根据量子力学，光同时具有波和粒子特性。光粒子被称为“光子”，它们是无法进一步分割的最小光能单位。例如，在光通信中常用的 15 µm 左右的波长下，一个光子的能量约为 10^-19它变成一个极小的焦耳值。单光子是光脉冲内只有一个光子的状态。类似地，n光子状态是指光脉冲内存在n个光子的状态。[返回来源]

*6节点处理

网络由链路（对应于通信线路）和节点（这些链路汇聚的节点）组成。节点处理来自链路的信号，将它们传递给用户，并控制将它们中继到其他节点的路由。在这种节点处理中，通过引入新的光源和探测器（例如压缩光和光子数鉴别器），并利用量子力学效应处理信号，将有可能以比以前更低的功耗实现高容量通信。[返回来源]