近日，南京大学现代工学院张利剑教授课题组、陆延青教授课题组与暨南大学光子技术研究院微结构光纤课题组合作，首次在36.4米反谐振空芯光纤中展示了基于商用硅单光子探测器的高保真单光子和偏振纠缠光子传输。相关成果“High-fidelity, low-latency polarization quantum state transmissions over a hollow-core conjoined-tube fiber at around 800 nm”发表在《光子学研究》（Photonics Research 9(4), 460-470 (2021), DOI: 10.1364/PRJ.409521）。这是继去年暨南大学团队制作出可见光波段损耗低于石英玻璃瑞利散射损耗极限的反谐振空芯光纤（Laser & Photonics Review 14, 1900241 (2020), DOI: 10.1002/lpor.201900241）之后，联合研究团队在反谐振空芯光纤长距离传输应用上取得的又一项突破。

图1 传统石英玻璃光纤（黑色）与“连体管式”反谐振空芯光纤（蓝色）的传输损耗谱。为了获得更高的模式纯度和更低的群速度色散，我们对光纤的结构参数进行了优化，获得了宽带通光窗口，空芯光纤的最低损耗为9.2dB/km。

一直以来，长距离光传输依赖的媒介主要是实芯结构的石英玻璃光纤。石英玻璃光纤作为支撑信息化时代的三大支柱技术之一（另两项是微电子技术和软件技术），随着量子信息时代的发展，也被认为是光量子传输的主要信道。然而，石英玻璃存在无法克服的瑞利散射损耗。它以波长四次方倒数的形式随波长减小而急剧增大，在可见光波段成为光纤的主要损耗。在经典光通信中，人们可以将波长移到近红外区域，避开瑞利散射损耗问题。但是在光量子信息处理中，无论是量子存储、操作、还是探测，可见光波段的器件都比近红外波段更加成熟高效。为了解决光量子传输和光量子操作不同色的问题，目前采用的主要办法是在两项任务之间增加一个基于非线性波导的量子频率转换器，但是这样会显著增加系统的复杂性。

从传输媒介的角度出发，空芯光纤技术的进步为上述问题的解决提供了一种新的思路。光子带隙型空芯光纤（PBG-HCF）的出现，使得光纤导光摆脱了对传统全内反射机制（TIR）的依赖，然而由于其表面散射损耗的限制，使得低损耗空芯光纤，尤其是可见光波段的低损耗空芯光纤，迟迟不能出现。

过去十年的诸多研究表明，以“内摆线型均匀厚度玻璃壁”和“径向方向多层玻璃壁排列”为核心特征的反谐振空芯光纤可能是实现低传输损耗的有效途径。由此，人们从光纤束缚态（bound states）导光的传统思维中解放出来，开始探索光纤泄漏模（leakage mode）导光的低损耗潜力。而且，泄漏模导光的传输损耗具有波长一次方倒数的形式，比瑞利散射损耗和表面散射损耗更有利于在短波长进行光传输。2020年，暨南大学与北京工业大学研究团队拉制出两款在可见光波段工作的反谐振空芯光纤，传输损耗在红光区域（680nm）与石英玻璃光纤相当，在绿光区域（558nm）比石英玻璃的瑞利散射损耗更低（Laser & Photonics Review 14, 1900241 (2020)）。

图2 使用CTF/SMF传输单光子偏振态和偏振纠缠态的实验装置图。

为了实现量子信息的高质量传输，除了损耗之外，空芯光纤还需要表现出其他方面的优秀性能。首先，为了降低环境扰动对光纤造成的退相干效应，需要降低模场与石英玻璃的重叠系数；其次，为了用好偏振这个量子信息载体，需要降低光纤的偏振选择性和消偏性；第三，为了降低光脉冲在传输过程中的色散展宽，需要增大空芯光纤的传输窗口宽度；最后，为了利用硅基单光子探测器的优良性能，需要将光纤的工作波长设计到1微米以下。在前期工作基础上，研究团队设计并制备了工作于830nm的低损耗“连体管式”反谐振空芯光纤（Conjoined-Tube Fiber, CTF），满足了上述所有要求，实现了单光子和偏振纠缠光子对的高保真传输。量子层析结果证明，经过一段36.4米的“连体管式”反谐振空芯光纤后的单光子偏振态保真度为0.980，偏振纠缠态保真度为0.977，光纤信道量子过程保真度为0.983。与同等长度实芯光纤Corning HI780（保真度~0.975）相比，空芯光纤量子信道具有可比拟的性能。另外实验还检验了空芯光纤的单光子低时延和低色散特性，单光子传输速度是真空光速的99.96%，群速度色散比实芯光纤低50倍以上。该工作利用“连体管式”反谐振空芯光纤构建出一个类似自由空间的传输信道，实现了与传统单模光纤相当的偏振量子态传输能力。

图3（a）光纤量子过程表示；（b）经过36.4mCTF后的偏振纠缠态表示；（c）偏振关联曲线；（d）单光子在36.4mCTF和SMF中的相对延迟时间。

作为一种全新的光纤形式，空芯光纤技术正在快速走向成熟，并在越来越多的领域取得应用展示。相较于在激光和传感领域中探索空芯光纤的神奇能力，这次的工作展示了另一大类的空芯光纤应用场景--空芯光纤量子通信。该工作不但验证了空芯光纤的光量子态高保真度传输能力，其单光子低时延特性还将有助于时钟同步，无漏洞贝尔不等式验证，设备无关的量子随机数产生和远距离节点纠缠产生等一系列量子信息应用，低色散和宽频带将有利于基于光子时间模式和频率模式的编码应用。

南京大学博士研究生陈欣雨和暨南大学丁伟研究员为该论文的共同第一作者，丁伟研究员、陆延青教授和张利剑教授为论文的共同通讯作者，暨南大学高寿飞副研究员、汪滢莹研究员以及北京工业大学王璞教授为论文做出重要贡献与支持，南京大学为论文第一单位。该研究受到国家重点研发计划(2017YFA0303800, 2017YFA0303703)、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目资助，以及人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。

论文链接：

https://www.osapublishing.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-9-4-460&id=449290

相关文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.201900241

https://www.nature.com/articles/s41467-018-05225-1