利用HiFi 的激光突破释放量子互联网

　　本刊编译整理

　　光纤在全球范围内的普及不仅提高了传统互联网连接的带宽，也让实现全球量子互联网更进一步。量子互联网有助于充分挖掘某些技术的潜力。其中包括通过量子处理器和寄存器的连接实现更强大的量子计算，通过量子密钥分配实现更安全的通信，或通过原子钟同步实现更精确的时间测量。

　　然而，1550nm 的玻璃纤维标准与迄今实现的各种量子比特（量子位）的系统波长之间的差异是一个障碍，因为这些量子位大多在可见光或近红外光谱范围内。研究人员希望借助量子频率转换来克服这一障碍。因为量子频率转换可以专门改变光子的频率，同时保留所有其他量子特性。这样就能转换到1550nm 的电信范围，实现量子态的低损耗、远距离传输。

　　量子频率转换辅助技术

　　在德国联邦教育与研究部（BMBF）资助的联合项目“HiFi——基于创新激光、光纤和生产技术的高集成度、高保真量子频率转换器”中，研究人员正致力于实现所有必要技术，为初始测试轨道提供高效率、低噪声的量子频率转换器（QFK）。弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）成功开发了基于锑化镓（GaSb）的盘状激光器（也称为垂直外腔表面发射激光器，VECSEL），为该项目做出了贡献。这是一种光泵浦表面发射半导体激光器，带有外部谐振器和腔内滤波器，用于选择波长。

　　输出功率为2.4W，频率绝对稳定在100kHz 以下

　　“作为HiFi 项目的一部分，我们开发的VECSEL 是光谱窄带泵浦源，根据所使用的量子比特的输出波长，可具体覆盖1.9-2.5μm 波长，输出功率高达2.4W，绝对波长稳定性低于2fm。这相当于频率稳定度小于100kHz，明显低于频率稳定度等级1E-9。这一结果创下了此类激光器的国际记录。”项目协调员兼研究所光电部门负责人Marcel Rattunde 博士解释说。

　　“与项目合作伙伴MENLO Systems GmbH 公司的密切合作使这一成果成为可能。我们一起将盘式激光器锁定到一个频率梳上，而频率梳又耦合到一个10MHz的基准上。”Rattunde强调说。在实验中，研究人员将发射波长精确设定为萨尔大学光纤链路演示实验的目标波长（2062.40 nm），研究所已将激光模块移交给萨尔大学。除了功率缩放，研究所在 HiFi 项目中最重要的研究任务是精确了解激光器的模式行为，以及识别和消除噪声源。

　　使用泵浦激光器进行量子频率转换

　　在量子频率转换中，泵浦光子的能量通过非线性光学晶体中的差频过程从信号光子中减去。为确保低噪声过程，泵浦光子的能量必须低于目标波长（通常为1550nm），否则泵浦激光器会因寄生效应在输出信号中产生光子。

　　结合MENLO 的梳频器，研究院开发的VECSEL 可以满足量子频率转换的高要求，因为它的窄带宽和波长稳定性可以防止泵浦波长的波动，从而防止量子比特目标波长的变化。如果出现超过自然线宽的偏差，量子比特将不再是不可区分的，这将消除后续量子力学处理的基本要求。