基于量子的系统有望为计算和通信系统提供更快的计算和更强的加密。这些系统可以建立在光纤网络上，包括相互连接的节点，这些节点由量子比特和产生纠缠光子对的单光子发生器组成。
在这方面，固态材料中的稀土原子和离子作为单光子发生器是非常有前途的。这些材料与光纤网络兼容，并能在很宽的波长范围内发射光子。由于其宽光谱范围，掺有这些稀土元素的光纤可以在各种应用中找到用途，例如自由空间电信，基于光纤的电信，量子随机数生成和高分辨率图像分析。然而，到目前为止，单光子光源是在低温下使用掺杂稀土的晶体材料开发的，这限制了基于它们的量子网络的实际应用。
“单光子光源是控制光子统计特性的设备，光子代表光的最小能量单位，”Sanaka解释说。“在这项研究中，我们使用掺有光学活性稀土元素的光纤材料开发了一种单光子光源。我们的实验还表明，这种光源可以在室温下直接从光纤中产生。”
镱是一种稀土元素，具有良好的光学和电子性能，是掺杂光纤的合适人选。它具有简单的能级结构，并且激发态的镱离子具有很长的荧光寿命，约为1毫秒。
为了制造掺镱光纤，研究人员使用一种热拉技术将一种市售的掺镱光纤变细，在这种技术中，一段光纤被加热，然后用张力拉，逐渐减小其直径。
在锥形光纤中，当被激光激发时，单个稀土原子会发射光子。这些稀土原子之间的分离在定义光纤的光学特性方面起着至关重要的作用。例如，如果单个稀土原子之间的平均距离超过了光学衍射极限，这是由发射光子的波长决定的，那么这些原子发出的光看起来就好像是来自群集而不是不同的单个光源。
为了确认这些发射光子的性质，研究人员采用了一种称为自相关的分析方法，该方法评估信号与其延迟版本之间的相似性。通过自相关分析发射光子模式，研究人员观察到非共振发射，并进一步获得了掺杂滤光片中单个镱离子发射光子的证据。
虽然发射光子的质量和数量可以进一步提高，但开发的含有镱原子的光纤可以在不需要昂贵的冷却系统的情况下制造。这克服了一个重大障碍，为各种下一代量子信息技术打开了大门。
“我们已经展示了一种低成本的单光子光源，具有可选择的波长，不需要冷却系统。展望未来，它可以实现各种下一代量子信息技术，如真随机数生成器、量子通信、量子逻辑运算和超越衍射极限的高分辨率图像分析，”Sanaka博士总结道。
期刊信息:PhysicalReviewApplied
