VECSEL是迈向量子互联网的一步

“量子互联网”前景广阔。它可以连接量子计算机以提高其性能；以防黑客攻击的方式加密通信；同步原子钟以进行卫星导航或科学实验所需的高精度测时。

但是，要在现有的光纤网络中实现量子互联网，需要量子频率转换器将光子波长调整到电信波段（1550 nm）。

Fraunhofer IAF现已开发出一款单模GaSb VECSEL（垂直外腔面发射激光器），输出功率高达2.4W，可作为低噪声泵浦源实现量子频率转换。

1550 nm玻璃纤维标准与迄今实现的量子比特（qubit）系统波长之间的差异是一个障碍，因为量子比特大多在可见光谱范围或近红外光谱范围内。

研究人员需要借助量子频率转换来克服这一障碍，量子频率转换可以改变光子的频率，同时保留其他所有量子特性。这样就能转换到1550 nm电信范围，实现量子态的低损耗远距离传输。

联合项目HiFi（基于创新激光器、光纤、生产技术的最高保真度高集成度量子频率转换器）由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助，在该项目中，研究人员正致力于实现所有必要的技术，为初始测试轨道提供效率高、噪声低的量子频率转换器（QFK）。

弗劳恩霍夫应用固态物理研究所（IAF）成功开发出基于GaSb的VECSEL，为该项目做出了贡献。这类VECSEL是一种光泵浦、面发射半导体激光器，带有外部谐振器和用于选择波长的腔内滤波器。

输出功率2.4 W，绝对频率稳定度低于100 kHz

HiFi子项目协调员、Fraunhofer IAF光电部门负责人Marcel Rattunde解释道：“我们开发的VECSEL是HiFi的部分内容，它是光谱窄带泵浦源，根据所用量子比特的输出波长，可具体覆盖1.9至2.5 µm的波长，输出功率高达2.4 W，绝对波长稳定度低于2 fm。这相当于频率稳定度小于100 kHz，明显低于频率稳定度等级1E-9。这一成果创下了此类激光器的国际纪录。”

Marcel Rattunde补充道：“与项目合作伙伴MENLO Systems GmbH的密切合作使这一成果成为可能。我们一起将盘形激光器锁定到一个频率梳上，而频率梳又耦合到一个10 MHz的参照上。”

在实验中，研究人员将发射波长精确设定为萨尔兰大学光纤链路演示实验的目标波长（2062.40 nm），Fraunhofer IAF已将激光器模块移交给萨尔兰大学。除了功率大小的调整，Fraunhofer IAF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，并识别和消除噪声源。

使用泵浦激光器进行量子频率转换

在量子频率转换中，通过非线性光学晶体中的差频过程从信号光子中去除泵浦光子的能量。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1550 nm），否则泵浦激光器会因寄生效应而在输出信号中产生光子。

将Fraunhofer IAF开发的VECSEL与MENLO频率梳相结合时，可满足量子频率转换的高要求，因为其窄带宽和波长稳定性可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移，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。

Fraunhofer IAF出席Photonics Europe 2024

2024年4月7日至11日，SPIE Photonics Europe在斯特拉斯堡举行，会上Fraunhofer IAF的研究人员展示了他们最新的光电研究成果。Steffen Adler于4月11日下午2点发表题为“基于GaSb的大功率2μm VECSEL拥有低于1 MHz的绝对波长稳定度”的演讲，介绍HiFi项目的成果。