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在凝聚態物理學中，「安德森定位」是指在無序介質中不存在波的擴散。
近日，發表在《通信物理學》上的《相位分離的安德森定位光纖中的量子光傳輸》[1]研究中，西班牙光子科學研究所（ICFO）的Valerio Pruneri教授團隊和光纖光纜巨頭康寧公司(Corning Incorporated)合作，成功證明了雙光子量子態通過相位分離的安德森定位光纖（PSF）的傳輸。
01
量子光纖和安德森定位
1970年由康寧公司發明、低損耗的光纖成為將信息從一個地方有效地長距離傳輸到另一個地方，而不損失信息的最佳手段。現在最常見的數據傳輸方式是通過傳統的光纖——一個單一的核心通道，來傳輸信息。然而，隨著數據生成量的指數級增長，這些系統正在達到信息承載能力的極限。
因此，現在的研究重點是尋找新的方法，通過研究光纖的內部結構和應用新的方法來產生和傳輸信號，從而充分地利用光纖的潛力；此外，通過將這一研究從經典光擴展到量子光，量子技術的應用也得以實現。
在50年代末，物理學家菲利普·安德森（Philip W. Anderson，他也對粒子物理和超導作出了重要貢獻）預測了現在被稱為安德森定位；由於這一發現，他獲得了1977年諾貝爾物理學獎。安德森從理論上表明，在哪些條件下，無序系統中的電子可以在整個系統中自由移動，或者作為一個「本地化電子」被束縛在一個特定的位置。例如，這個無序系統可以是一個帶有雜質的半導體。
後來，同樣的理論方法被應用於各種無序系統，並推斷出光也可以經歷安德森定位。過去的實驗證明了光纖中的安德森定位，實現了經典或傳統光在兩個維度上的限制或定位，同時將其在第三維度上傳播。雖然這些實驗對經典光顯示了成功的結果，但到目前為止，還沒有人用量子光（由量子相關態組成的光）測試過這種系統。
直到最近，ICFO團隊才成功證明了雙光子量子態通過相位分離的安德森定位光纖（PSF）傳輸。
02
傳統光纖與安德森定位光纖的對比
與傳統的單模光纖（數據通過單芯傳輸）相反，相位分離光纖（PSF）或相位分離安德森定位光纖是由許多嵌在兩種不同折射率的玻璃基體中的玻璃組成。
相位分離的光纖：通過安德森局部模式的對比圖像和傳播示意圖
相位分離的安德森定位光纖作為發射器和接收器之間的量子通道的示意圖。圖中顯示，在從發射器（產生）到接收器（探測）的過程中，糾纏等量子相關關係沿著光纖一路保持。
在其製造過程中，當硼矽酸鹽玻璃被加熱和熔化時，它被拉成纖維，其中不同折射率的兩相之一傾向於形成拉長的玻璃股。由於材料內有兩種折射率，這就產生了所謂的橫向無序，從而導致光在材料中的橫向（2D）安德森定位。
作為光纖製造方面的專家，康寧公司創造了一種光纖，通過利用安德森定位，可以在一根光纖中傳播多個光束。與多芯光纖束相反，這種PSF顯示非常適用於此類實驗，因為許多平行的光束可以在光纖中傳播，而它們之間的間距最小。
科學家團隊是量子通信方面的專家，他們希望通過康寧的相位分離光纖儘可能有效地傳輸量子信息。在實驗中，PSF連接了一個發射器和一個接收器。發送器是一個量子光源（由ICFO建造）。該光源通過在非線性晶體中的自發參數向下轉換（SPDC）產生量子相關的光子對，其中一個高能量的光子被轉換為光子對，每個光子對的能量較低。
低能量的光子對的波長為810納米。由於動量守恆，出現了空間反相干。接收器是一個單光子雪崩二極體（SPAD）陣列相機，與普通的CMOS相機不同，SPAD陣列相機非常敏感，可以以極低的噪聲檢測到單光子；它還具有非常高的時間解析度，這樣就可以高精度地知道單光子的到達時間。
實驗的示意圖
03
量子相位分離光纖，可應用於量子成像、量子通信
ICFO團隊設計了一個光學裝置，通過相位分離的安德森定位光纖發送量子光，並用SPAD陣列相機檢測其到達。SPAD陣列使他們不僅能夠檢測到成對的光子，還能將它們識別為成對的光子，因為它們是同時到達的（重合的）。
由於這對光子是量子相關的，知道兩個光子中的一個在哪裡被檢測到，就可以知道另一個光子的位置。研究小組在通過PSF發送量子光之前和之後都驗證了這種相關性，成功地表明光子的空間反相關確實得到了保持。
在這次演示之後，ICFO團隊接著將開始展示如何在未來的工作中改進他們的結果。為此，他們進行了比例分析，以找出810納米的量子光波長下拉長的玻璃鏈的最佳尺寸分布。在用經典光進行全面分析後，他們能夠確定相位分離光纖目前的局限性，並提出改進其製造的建議，以儘量減少傳輸過程中的衰減和解析度的損失。
這項研究的結果表明[2]，這種方法對於量子成像或量子通信的實際應用中的可擴展製造工藝具有潛在的吸引力，特別是對於高解析度內窺鏡、糾纏分發和量子密鑰分發等領域。
參考連結：
[1]https://www.nature.com/articles/s42005-022-01036-5
[2]https://phys.org/news/2022-11-two-photon-quantum-states-phase-separated-anderson.html