Ученые получили квантовую запутанность непосредственно из солнечного света, что потенциально может предложить менее энергетическую альтернативу лазерам, обычно используемым в квантовых технологиях. В ходе эксперимента на открытом воздухе были получены запутанные фотоны с приблизительной степенью сходства с идеальным состоянием (около 94%). Этот результат может проложить путь к созданию более простых квантовых спутников, защищенной связи и более энергоэффективных квантовых вычислений.
Многие современные квантовые технологии зависят от мощных лазеров, потребляющих значительное количество энергии. По мере того, как эти системы становятся все больше и шире, их потребление электроэнергии может стать все большей проблемой. Исследователи продемонстрировали впечатляющую альтернативу: сам солнечный свет может быть использован для создания квантовой запутанности между фотонами.
«Квантовая запутанность имеет решающее значение для таких приложений, как защищенная связь, сверхточное зондирование и высокопроизводительные вычисления», — сказал Ченг Ли, недавний выпускник Оттавского университета в Канаде. «Наша работа показывает, что для квантовой запутанности можно использовать многочисленные естественные источники света, что открывает возможности для создания более энергоэффективных и доступных квантовых технологий».
Результаты исследования, опубликованные в журнале Optica , издаваемом Optica Publishing Group и посвященном высокоэффективным научным работам, показывают, что солнечный свет может создавать квантовую запутанность, сравнимую с лазерными методами, если учитывать различия в полосе пропускания падающего света. Это достижение стало результатом совместной работы теоретической группы Роберта Бойда из Оттавского университета и нового солнечного концентратора, созданного командой Хание Фаттахи в Институте науки о свете имени Макса Планка (MPL) в Германии.
«Эта технология в будущем может позволить спутникам создавать надежные ключи шифрования, используя солнечный свет, которого и так предостаточно в космосе, что снизит потребность в бортовых лазерах и большей части вспомогательного оборудования», — сказал Ли, первый автор статьи. «Генерация квантовой запутанности под воздействием солнечного света также может обеспечить важнейший компонент, необходимый для масштабирования квантовых вычислений без увеличения энергетической нагрузки».
Оспариваемые предположения о квантовом свете
Ученые традиционно считали, что для создания сильных корреляций, необходимых для фотонной запутанности, требуется когерентный свет. В когерентном свете волны остаются синхронизированными, так что их пики и впадины следуют предсказуемому образцу. Для этой цели обычно используются лазеры, поскольку они генерируют высококогерентный свет, сконцентрированный на одном цвете.
Более ранние исследования команды Бойда начали оспаривать это предположение. Исследователи теоретически предсказали, а затем экспериментально продемонстрировали, что некогерентный свет также может генерировать квантовую запутанность. В этих экспериментах они использовали светодиод, источник некогерентного света, для получения поляризационно-запутанных фотонов.
Эти результаты установили важный принцип. Свет может быть неупорядочен по одной характеристике, например, по направлению распространения, и при этом создавать фотоны, которые запутаны по другой характеристике, например, по поляризации.
Новая работа развивает эту концепцию дальше, заменяя светодиод солнечным светом. Солнечный свет представляет собой гораздо более сложную задачу, поскольку он распространяется во многих направлениях и содержит широкий спектр цветов.
Создание запутанных фотонов с помощью солнечного света
Для генерации запутанных фотонов исследователи использовали метод спонтанного параметрического преобразования вниз (СППД). В этом отработанном оптическом процессе пучок накачки попадает в нелинейный кристалл, где отдельные фотоны могут расщепляться на пары, которые могут стать квантово запутанными.
Вместо использования обычной лазерной накачки команда снабжала систему солнечным светом. Солнечный свет был сильно поляризован, но при этом оставался крайне некогерентным как в пространстве, так и во времени. Его общее световое поле колебалось в одном направлении, несмотря на то, что содержало фотоны разных цветов, движущиеся по множеству различных путей.
«Мы разработали экспериментальную установку таким образом, чтобы различия, обусловленные разными цветами и направлениями распространения, не влияли на поляризацию фотонов», — сказал Ли. «Как предсказывает наша теория, если запутанность существует только в поляризации, то она должна зависеть только от упорядоченности накачки в направлении ее колебаний, а не от ее направления или цвета. Это позволило нам получить высококачественную поляризационную запутанность из сильно пространственно и временно некогерентного солнечного света».
Еще одним серьезным препятствием стало обеспечение достаточного количества солнечного света для этого чрезвычайно маленького нелинейного кристалла. Размер кристалла составляет всего около миллиметра, что делает обычные методы сбора солнечного света непрактичными.
Команда Фаттахи в MPL решила эту проблему, разработав полностью стеклянный солнечный концентратор. Конусообразная система собирает солнечный свет с помощью линзы Френеля размером примерно с оконное стекло и направляет этот свет в оптическое волокно толщиной примерно с человеческий волос. Затем концентрированный солнечный свет может быть направлен на крошечный нелинейный кристалл, ответственный за образование запутанных фотонов.
Солнечный свет вызывает сильную квантовую запутанность.
Исследователи проверили как свои теоретические предсказания, так и новый концентратор во время эксперимента на открытом воздухе в MPL. Они использовали томографию квантовых состояний для анализа результирующего квантового состояния и обнаружили, что запутанность, возникающая при взаимодействии с солнечным светом, примерно на 94% похожа на идеально запутанное состояние.
Команда также обнаружила, что фотоны демонстрируют корреляции, нарушающие неравенство Белла. Этот результат особенно важен, поскольку такие корреляции не могут быть объяснены классической физикой и вместо этого свидетельствуют о создании подлинной квантовой запутанности.
После успешного завершения экспериментальной проверки принципа действия исследователи теперь работают над системой, которую в конечном итоге можно будет использовать за пределами лаборатории. Их усилия сосредоточены на увеличении яркости и дальнейшем улучшении качества квантовой запутанности.
В основе эксперимента лежал метод SPDC, но исследователи утверждают, что этот подход может также работать с другими нелинейными оптическими методами, включая четырехволновое смешение. Расширение концепции на другие методы может открыть новые возможности в области квантовой фотоники.
От скептицизма к рабочему эксперименту
Полученный результат также развеял значительные сомнения в научном сообществе относительно того, может ли солнечный свет реально запускать этот процесс.
