光纤的扩展正在全球范围内进行，这不仅增加了传统互联网连接的带宽，而且使全球量子互联网的实现更加接近。量子互联网可以帮助充分利用某些技术的潜力。其中包括通过量子处理器和寄存器的链接实现更强大的量子计算，通过量子密钥分发实现更安全的通信，或者通过原子钟的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为止实现的各种量子比特(量子位)的系统波长之间的差异代表了一个障碍，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，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。这使得能够转换到1550 nm的电信范围，实现量子态的低损耗、长距离传输。
Project HiFi：量子频率转换的赋能技术
在德国联邦教育和研究部(BMBF)资助的联合项目“HiFi——基于创新激光、光纤和生产技术的高保真度高度集成量子变频器”中，研究人员正在致力于实现所有必要的技术，为初始测试轨道提供高效、低噪声的量子变频器。Fraunhofer应用固态物理研究所IAF为该项目做出了贡献，成功开发了基于锑化镓(GaSb)的圆盘激光器(也称为垂直外腔表面发射激光器，VECSEL)。这些是光学泵浦的表面发射半导体激光器，具有外部谐振器和用于波长选择的腔内滤波器。
2.4 W输出功率，绝对频率稳定性低于100 kHz
“作为HiFi的一部分，我们开发的VECSEL是光谱窄带泵浦源，根据所用量子位的输出波长，它特别覆盖1.9至2.5µm之间的波长，并实现高达2.4 W的输出功率和小于2 fm的绝对波长稳定性。这对应于小于100 kHz的频率稳定性，显然低于1E-9级频率稳定性。这一结果代表了这种激光器的国际记录，”Fraunhofer IAF HiFi子项目协调员兼光电子部门负责人Marcel Rattunde博士解释道。
Rattunde强调：“通过与项目合作伙伴MENLO Systems GmbH的密切合作，这一结果成为可能。我们一起将磁盘激光器锁定在频率梳上，频率梳又耦合到10MHz的参考。”。
在他们的实验中，研究人员将发射波长精确设置为萨尔大学光纤链路演示实验的目标波长(2062.40 nm)，Fraunhofer IAF已将激光模块移交给该光纤链路。除了功率缩放之外，Fraunhofer IAF在HiFi项目中最重要的研究任务是精确理解激光器的模式行为以及识别和消除噪声源。
利用泵浦激光器实现量子频率转换
在量子频率转换中，通过非线性光学晶体中的差频过程从信号光子中减去泵浦光子的能量。为了确保低噪声过程，泵浦光子的能量必须低于目标波长(通常为1550nm)，否则泵浦激光器可能由于寄生效应而在输出信号中产生光子。
与MENLO频率梳相结合，Fraunhofer IAF开发的VECSEL满足量子频率转换的高要求，因为它们的窄带宽和波长稳定性可以防止泵浦波长的波动，从而防止量子位的目标波长的变化。如果存在高于自然线宽的偏差，量子位将不再是不可区分的，这将消除后续量子机械处理的基本要求。
Fraunhofer IAF参加2024年欧洲光电子展
2024年4月7日至11日，Fraunhofer IAF的研究人员将在今年斯特拉斯堡举行的SPIE Photonics Europe上展示他们在光电子领域的最新研究成果。
Steffen Adler将于4月11日下午2点在他的演讲“绝对波长稳定性低于1MHz的高功率2μm GaSb基VECSEL”中谈论HiFi项目的结果。
