随着量子计算机的兴起，我们现有通信系统的安全面临风险。量子计算机将能够破解当前通信系统中使用的许多加密方法。为了解决这个问题，科学家们正在开发量子通信系统，利用量子力学提供更强的安全性。这些系统的关键组成部分是单光子源：一种一次仅产生一个光粒子的设备。这些携带量子信息的光子然后通过光纤发送。为了使量子通信系统正常工作，必须将单光子以极低的损耗注入光纤中。

在传统系统中，单光子发射器，如量子点和稀土 (RE) 元素离子，被放置在光纤外部。然后必须引导这些光子进入光纤。然而，并非所有光子都会进入光纤，从而导致高传输损耗。对于实际的量子通信系统，需要在光纤和发射器之间实现高耦合和沟道效率。

在一项新研究中，由日本hjc888黄金城中国官方网站 (TUS) 物理系 Kaoru Sanaka 副教授领导的研究小组找到了解决此问题的方法。他们开发了一种高效的光纤耦合单光子源，其中单光子直接在光纤内部产生。与以前的方法不同，在此方法中选择性地激发单个原子。“在我们的方法中，限制在锥形光纤中的单个孤立的稀土离子被激光选择性地激发以产生单光子，”Sanaka 博士解释道。 “与单光子生成和传输是单独步骤的传统方法不同，这里可以生成单光子并直接在光纤内有效引导，同时显着降低损耗。”

该团队还包括三年级博士生。候选人清水 Kaito 先生和同样来自启迪科技大学的助理教授 Tomo Osada。此外，Mark Sadgrove副教授与研究团队合作提供了光纤器件。他们的研究发表在该杂志第 33 卷第 19 期光学快车2025 年 9 月 22 日。

团队首先制备了掺有钕离子（Nd³⁺）。 ND³⁺被选中是因为它们可以发射各种波长的光子，包括电信标准，这使得它们能够适应不同的量子应用。然后使用热拉工艺使掺杂二氧化硅纤维逐渐变细，因此纤维的一部分被加热并拉拉以逐渐减小其厚度。这个过程使他们能够访问空间上分离的单个 Nd³⁺在锥形部分内。这产生了一种新颖的方法，其中单个 Nd³⁺在室温下使用泵浦激光器进行选择性激发，直接在光纤的导模中产生单光子。为了进行测试，然后从光纤的一端收集发射的光子。

使用一种称为自相关的分析方法，将光子信号与其延迟版本进行比较，研究人员通过实验验证，一次仅发射一个光子，并且它们可以在光纤内有效引导。研究小组还证实，纤维的锥形不会改变离子的自然光学特性。值得注意的是，结果表明，这种新方法在收集光子方面比以前的非选择性激发方法（其中多个 Nd³⁺一起兴奋。如果从光纤的两侧收集光子，则可以进一步提高这种收集效率。“我们的方法可以实现单光子从源头到末端的高效传输，”Sanaka 博士指出。

由于此方法使用市售光纤，因此具有成本效益、波长可选，并且可以直接集成到基于光纤的通信网络中。此外，与大多数当前需要昂贵的低温系统的量子技术不同，该系统在室温下运行。这些功能可以使该系统成为下一代全光纤集成量子通信网络的有力候选者。

除了量子通信之外，这种方法还可以为未来的量子计算技术提供动力。 “通过在同一根光纤内单独操作多个孤立的离子，可以开发多量子位处理单元。它还可以启用量子位编码协议，” Sanaka 博士补充道。量子位或量子位是量子信息的基本单位。进一步的研究应集中于提高单光子的波长，以在光谱和成像分析的实际环境中实现。

总的来说，这种光纤耦合单光子源代表了实用量子技术的重要一步，为安全、不可破解的通信网络铺平了道路。

图片标题：新型光纤耦合单光子源
图片说明：所提出的方法使用捕获在锥形光纤内的单个稀土离子，直接在光纤内生成和引导单个光子，这是即将到来的量子通信技术的关键低成本组件。
图片来源：日本hjc888黄金城中国官方网站 Kaoru Sanaka 博士
许可证类型：原创内容
使用限制：未经许可不得重复使用。

图片标题：使用隔离的钕离子 (Nd³⁺).
图片说明：研究人员提出了一种通过选择性激发孤立的 Nd 在室温下产生单光子的系统³⁺锥形光纤内的离子。
图片来源：日本hjc888黄金城中国官方网站 Kaoru Sanaka 博士
许可证类型：原创内容
使用限制：未经许可不得重复使用。

图片标题：稀土离子作为单光子源
图片说明：科学家利用单一的钕离子 (Nd³⁺）在室温下产生光子，对量子通信技术领域具有潜在影响。图(a)显示了空间分辨的单个Nd³⁺。图(b)为Nd³⁺通过选择性激发方法完成。
图片来源：日本hjc888黄金城中国官方网站 Kaoru Sanaka 博士
许可证类型：原创内容
使用限制：未经许可不得重复使用。

关于hjc888黄金城中国官方网站

hjc888黄金城中国官方网站(TUS) 是一所著名且受人尊敬的大学，也是日本最大的科学专业私立研究型大学，在东京市中心及其郊区以及北海道设有四个校区。该大学成立于 1881 年，通过向研究人员、技术人员和教育工作者灌输对科学的热爱，不断为日本的科学发展做出贡献。

启迪科技大学以“创造科学技术，促进自然、人类和社会和谐发展”为使命，开展了从基础科学到应用科学的广泛研究。启迪科技大学采用多学科研究方法，并在当今一些最重要的领域进行了深入研究。 TUS 是一个精英管理体制，科学界最优秀的人才得到认可和培养。它是日本唯一一所培养出诺贝尔奖得主的私立大学，也是亚洲唯一一所培养出自然科学领域诺贝尔奖获得者的私立大学。