加埃塔研究團隊發(fā)明新型光子帶隙光纖

　　加埃塔研究團隊發(fā)明的設(shè)備使用了一種新型光纖，名為光子帶隙光纖（photonic bandgap fiber）。這種纖維中間是空的，被蜂巢狀的玻璃微管包圍。蜂巢可以作為衍射光柵折射光線，除了傳送光線的基本波長附近很窄的區(qū)域，其他波長的光線會被抵消。新設(shè)計出的光纖可以用來測量光線中光子的數(shù)量。

　　光子帶隙光纖的橫截面圖。微小的玻璃管圍繞在光纖核周圍，并可以彎折光波讓它們干涉并相互抵消，把光束的所有能量集中在空核中。

　　在量子計算中，信息比特，也就是量子比特（qubits）由單個原子或光子的狀態(tài)決定。我們只有知道如何獲得這些粒子的狀態(tài)才能應(yīng)用量子計算?？的螤柎髮W(xué)的研究讓我們朝著不干擾光子但又能檢測到它們存在的目標(biāo)又靠近了一步。

　　在實驗中，研究人員混合了兩股光線。一股光線很強；另外一股光線的信號很弱，只包含了不到20個光子。強度較大的那股光線的相位可以隨著較弱光線的光子數(shù)成比例改變。

　　“人們的理想要求是可以測量單個光子，并且不破壞它。”康奈爾大學(xué)應(yīng)用和工程物理系（applied and engineering physics）的系主任和教授亞歷克斯·加埃塔（Alex Gaeta）說。“不過，也有一些有趣的量子信息算法可以應(yīng)用到幾個光子上。”切換只含一個光子的光線就像傳統(tǒng)電子計算機中的“門”，1和0作為輸入可以切換同樣由1和0組成的輸出。在未來，這種方法可以通信量子計算機中量子比特的狀態(tài)，或者光子本身可以作為量子比特。

　　加埃塔研究團隊發(fā)明的設(shè)備使用了一種新型光纖，名為光子帶隙光纖（photonic bandgap fiber）。這種纖維中間是空的，被蜂巢狀的玻璃微管包圍。蜂巢可以作為衍射光柵折射光線，除了傳送光線的基本波長附近很窄的區(qū)域，其他波長的光線會被抵消。這樣光線就被限制在核心變得更強。和傳統(tǒng)的玻璃光纖相比，這種光纖的優(yōu)勢在于它的核心可以充滿氣體。

　實驗被發(fā)表于2012年12月2日的《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）網(wǎng)絡(luò)版上。研究人員用銣蒸汽把9厘米長的光纖的核心充滿，用來產(chǎn)生克爾效應(yīng)（Kerr effect），讓光纖的震蕩電磁場和電子的電磁場互相作用，改變介質(zhì)的折射率以改變光線傳播的方式。弱光線可以改變銣蒸汽的折射率以及強光線的相位，并可被測量。整個過程不會改變強光線中的光子數(shù)目。

　　改變信號的強度，也就是光子的數(shù)量后，研究人員可以測量出每個光子相位大約0.3毫弧度（角度單位）的變化，這也意味著單個光子最終將可被探測，而能做到這點的設(shè)備也可以用來計數(shù)光子。改變強光線脈沖的時?？梢园l(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的反應(yīng)時間小于5納秒，說明強光的頻率可以調(diào)制為50 MHz。

　　在制冷溫度下也有類似的設(shè)備可以做類似的測量，但研究人員表示，在室溫條件下做到這點尚屬首次。

　　這項研究由美國國家科學(xué)基金資助。