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。其中包括通過量子處理器和寄存器的連接實現(xiàn)更強大的量子計算，通過量子密鑰分配實現(xiàn)更安全的通信，或通過原子鐘同步實現(xiàn)更精確的時間測量。

　　然而，1550nm 的玻璃纖維標準與迄今實現(xiàn)的各種量子比特（量子位）的系統(tǒng)波長之間的差異是一個障礙，因為這些量子位大多在可見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)換來克服這一障礙，因為量子頻率轉(zhuǎn)換可以專門改變光子的頻率，同時保留所有其他量子特性。這樣就能轉(zhuǎn)換到1550nm 的電信范圍，實現(xiàn)量子態(tài)的低損耗、遠距離傳輸。

　　HiFi 項目：量子頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)

　　在德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的聯(lián)合項目“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”研究項目中，研究人員正致力于實現(xiàn)所有必要技術(shù)，為初始測試軌道提供高效率、低噪聲的量子頻率轉(zhuǎn)換器（QFK）。弗勞恩霍夫應用固體物理研究所（IAF）成功開發(fā)了基于銻化鎵（GaSb）的盤狀激光器（也稱為垂直腔面發(fā)射激光器，VECSEL），為該項目做出了貢獻。這是一種光泵浦表面發(fā)射半導體激光器，帶有外部諧振器和腔內(nèi)濾波器，用于選擇波長。

　　輸出功率為2.4W，頻率絕對穩(wěn)定在100kHz以下

　　“作為HiFi 的一部分，我們開發(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，可具體覆蓋1.9至2.5μm的波長，輸出功率高達2.4W，絕對波長穩(wěn)定性低于2fm。這相當于頻率穩(wěn)定度小于100 kHz，明顯低于頻率穩(wěn)定度等級1E-9。這一成果創(chuàng)下了此類激光器的國際記錄。”弗勞恩霍夫應用固體物理研究所光電部門負責人、HiFi子項目協(xié)調(diào)員Marcel Rattunde 博士解釋說。

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

　　使用泵浦激光器進行量子頻率轉(zhuǎn)換

　　在量子頻率轉(zhuǎn)換中，泵浦光子的能量通過非線性光學晶體中的差頻過程從信號光子中減去。為確保低噪聲過程，泵浦光子的能量必須低于目標波長（通常為1550nm），否則泵浦激光器會因寄生效應在輸出信號中產(chǎn)生光子。結(jié)合MENLO 梳頻器，弗勞恩霍夫應用固體物理研究所開發(fā)的VECSEL 可以滿足量子頻率轉(zhuǎn)換的高要求，因為它的窄帶寬和波長穩(wěn)定性可以防止泵浦波長的波動，從而防止量子比特目標波長的變化。如果出現(xiàn)超過自然線寬的偏差，量子比特將不再是不可區(qū)分的，這將消除后續(xù)量子力學處理的基本要求。

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