В конце 50-х годов физик Филип У. Андерсон (который также внес важный вклад в физику элементарных частиц и сверхпроводимость) предсказал то, что сейчас называется локализацией Андерсона. За это открытие он получил в 1977 году Нобелевскую премию по физике. Андерсон теоретически показал, при каких условиях электрон в неупорядоченной системе может либо свободно перемещаться по системе в целом, либо быть привязанным к определенному положению в качестве "локализованного электрона". Эта неупорядоченная система может, например, быть полупроводником с примесями.

Позже тот же теоретический подход был применен к множеству неупорядоченных систем, и был сделан вывод, что свет также может испытывать локализацию Андерсона. Эксперименты в прошлом продемонстрировали локализацию Андерсона в оптических волокнах, реализующую ограничение или локализацию света - классического или обычного света - в двух измерениях при распространении его через третье измерение. Хотя эти эксперименты показали успешные результаты с классическим светом, до сих пор никто не тестировал такие системы с квантовым светом - светом, состоящим из квантово коррелированных состояний. То есть до недавнего времени.

В исследовании, опубликованном в журнале Communications Physics, исследователи ICFO Александр Демут, Робинг Кампхаузен, Альваро Куэвас, возглавляемые профессором ICREA в ICFO Валерио Прунери, в сотрудничестве с Ником Боррелли, Томасом Сьюардом, Лизой Ламберсон и Карлом В. Кохом из Corning, вместе с Алессандро Руджери из Micro Photon Devices (MPD) и Федерикой Вильей и Франческа Мадонини из Миланского политехнического университета смогли успешно продемонстрировать перенос двухфотонных квантовых состояний света через оптическое волокно локализации Андерсона с разделением фаз (PSF).

Обычное оптическое волокно против оптического волокна локализации Андерсона

В отличие от обычных одномодовых оптических волокон, где данные передаются через одну жилу, фазоразделенное волокно (PSF) или фазоразделенное волокно локализации Андерсона изготовлено из множества стеклянных нитей, встроенных в стеклянную матрицу с двумя различными показателями преломления. Во время его изготовления, когда боросиликатное стекло нагревается и расплавляется, оно вытягивается в волокно, где одна из двух фаз с различными показателями преломления имеет тенденцию образовывать удлиненные стеклянные нити. Поскольку в материале имеется два показателя преломления, это создает то, что известно как латеральный беспорядок, который приводит к поперечной (2D) локализации света по Андерсону в материале.

Специалисты Corning по изготовлению оптических волокон создали оптическое волокно, которое может распространять несколько оптических лучей в одном оптическом волокне, используя локализацию Андерсона. В отличие от многоядерных пучков волокон, этот PSF показал себя очень подходящим для таких экспериментов, поскольку множество параллельных оптических лучей может распространяться по волокну с минимальным расстоянием между ними.

Команда ученых, экспертов в области квантовых коммуникаций, хотела максимально эффективно передавать квантовую информацию по оптическому волокну Corning с разделением фаз. В эксперименте PSF соединяет передатчик и приемник. Передатчик представляет собой квантовый источник света (построенный ICFO). Источник генерирует пары квантово-коррелированных фотонов посредством спонтанного параметрического понижающего преобразования (SPDC) в нелинейном кристалле, где один фотон высокой энергии преобразуется в пары фотонов, каждый из которых имеет меньшую энергию. Пары фотонов с низкой энергией имеют длину волны 810 нм. Из-за сохранения импульса возникает пространственная антикорреляция. Приемник представляет собой однофотонную камеру с лавинным диодом (SPAD), разработанную Polimi и MPD. Массивная камера SPAD, в отличие от обычных КМОП-камер, настолько чувствительна, что может обнаруживать одиночные фотоны с чрезвычайно низким уровнем шума; она также имеет очень высокое временное разрешение, так что время прихода одиночных фотонов известно с высокой точностью.

Квантовый свет

Команда ICFO спроектировала оптическую установку для отправки квантового света через разделенное по фазе оптическое волокно Андерсона и зафиксировала его поступление с помощью камеры SPAD array. Массив SPAD позволил им не только обнаружить пары фотонов, но и идентифицировать их как пары, поскольку они прибывают в одно и то же время (совпадают). Поскольку пары квантово коррелированы, знание того, где обнаружен один из двух фотонов, сообщает нам местоположение другого фотона. Команда проверила эту корреляцию непосредственно до и после отправки квантового света через PSF, успешно показав, что пространственная антикорреляция фотонов действительно сохранялась.

После этой демонстрации команда ICFO решила показать, как улучшить свои результаты в будущей работе. Для этого они провели масштабный анализ, чтобы выяснить оптимальное распределение удлиненных стеклянных нитей по размерам для длины волны квантового света 810 нм. После тщательного анализа с использованием классического света они смогли определить текущие ограничения волокна с разделением фаз и предложить усовершенствования его изготовления, чтобы свести к минимуму затухание и потерю разрешения во время транспортировки.

Результаты этого исследования показали, что этот подход потенциально привлекателен для масштабируемых производственных процессов в реальных приложениях в области квантовой визуализации или квантовых коммуникаций, особенно в областях эндоскопии высокого разрешения, распределения запутанности и распределения квантовых ключей.