Учёные достигли того, что когда-то казалось почти невозможным: используя обычный солнечный свет для создания квантово-связанных пар фотонов — явления, обычно зависящего от точных лабораторных лазеров. Создав систему слежения за солнцем, которая направляет солнечный свет через оптическое волокно в специальный кристалл, исследователи сгенерировали сильно коррелированные фотоны, способные выполнять «фантомную визуализацию», при которой изображения восстанавливаются косвенно посредством квантовых корреляций. Примечательно, что установка, работающая на солнечном свете, обеспечила качество изображения, близкое к качеству традиционной лазерной системы, даже воссоздавая детализированные изображения, такие как «фантомное лицо».
В последнее время исследования показали, что для работы SPDC на самом деле не требуется идеально когерентный свет. Даже частично когерентные источники света могут производить коррелированные пары фотонов, одновременно передавая некоторые из своих собственных когерентных свойств генерируемым фотонам. Это открытие привело исследователей к интригующему вопросу: можно ли использовать сам солнечный свет для генерации коррелированных пар фотонов?
Использование солнечного света в квантовой оптике
Превращение солнечного света в пригодный для использования источник спонтанного динамического преобразования частоты сопряжено с серьезными трудностями. Яркий свет, достигающий Земли, постоянно колеблется по яркости, направлению и положению, что затрудняет поддержание точной ориентации, необходимой для экспериментов по спонтанному динамическому преобразованию частоты и детектированию фотонов.
В то же время солнечный свет обладает существенным преимуществом. В отличие от лазеров, он не требует электроэнергии или сложного лабораторного оборудования. Система, работающая на солнечном свете, потенциально может функционировать в удаленных местах или даже в космосе, где традиционные лазерные системы могут быть непрактичными.
Исследовательская группа под руководством Ухуна Чжана и Лисяна Чена из Сямэньского университета продемонстрировала рабочее решение. В статье, опубликованной в журнале Advanced Photonics , ученые описали экспериментальную установку, использующую солнечный свет в качестве единственного источника накачки для спонтанного дифференциального преобразования частоты.
Их система включает в себя автоматическое устройство слежения за Солнцем, аналогичное экваториальной монтировке телескопа. Трекер непрерывно следует за Солнцем в течение дня и направляет солнечный свет в 20-метровое пластиковое многомодовое оптическое волокно. Волокно передает свет в темную внутреннюю лабораторию, где он накачивает периодически поляризованный нелинейный кристалл титанилфосфата калия (PPKTP).
Солнечный свет успешно создает коррелированные пары фотонов.
Несмотря на нестабильность естественного солнечного света, установка успешно сгенерировала пары фотонов с сильной корреляцией положения. Для проверки системы исследователи использовали эти пары фотонов для фантомной визуализации — квантовой техники визуализации, при которой изображения восстанавливаются с использованием коррелированных фотонов вместо прямого пространственного детектирования.
Система, работающая на солнечном свете, обеспечила видимость фантомных изображений на уровне 90,7%, что близко к 95,5-процентной видимости, достигаемой стандартным лазером с длиной волны 405 нм, работающим при той же мощности накачки.
Помимо простой визуализации с помощью двойной щели, исследователи также реконструировали более детальное двухмерное изображение, описанное как «призрачное лицо». Результат продемонстрировал, что система, работающая на солнечном свете, способна обрабатывать более сложные пространственные структуры.
По словам исследователей, широкий спектр солнечного света способствует квазифазовому согласованию внутри нелинейного кристалла, что позволяет получать большое количество пар фотонов, коррелированных по положению. Собирая данные в течение длительных периодов времени, команда улучшила как отношение сигнал/шум, так и отношение контраста к шуму, показав, что система может сохранять стабильную работу, несмотря на естественные колебания солнечного света.
Полностью пассивная система квантовой визуализации
Этот эксперимент знаменует собой первую успешную демонстрацию сочетания SPDC с накачкой солнечным светом и фантомной визуализацией. Устраняя необходимость в лазерах и внешнем источнике электроэнергии, система создает полностью пассивный источник коррелированных пар фотонов.
Исследователи считают, что эта технология может оказаться особенно полезной для будущих систем квантовой визуализации и квантовой информации, используемых в удаленных средах или в космических приложениях.
Они также отметили, что достижения в области сбора солнечного света, кристаллографии и методов реконструкции изображений, включая сжатое зондирование и машинное обучение, могут еще больше улучшить качество и скорость получения изображений, а также приблизить технологию к практическому применению в реальных условиях.
