Sollys skaber kvantesammenfiltring uden laser

Hvorfor sollys længe blev anset som uegnet

SPDC har traditionelt krævet en kohærent laserstråle. Laserens fotoner er nøje afstemt med hensyn til fase, retning og bølgelængde.

Sollys er det modsatte: Det er rumligt diffust, har et bredt spektrum og varierer kaotisk over tid. Fotonerne kommer fra mange retninger, med tilfældige faser og i mange forskellige farver. Den gængse antagelse var derfor, at denne uorden ville udviske de kvantekorrelationer, der er nødvendige for sammenfiltring.

Den afgørende teoretiske indsigt

Forskerholdet viste, at antagelsen kun gælder, hvis man forsøger at bevare de forkerte egenskaber ved lyset.

Hvis kvanteinformationen i stedet kodes i fotonernes polarisation – altså den retning, som lysbølgen svinger i – behøver pumpelyset ikke at være kohærent i sin udbredelsesretning eller bølgelængde. Polarisationssammenfiltringen kan overleve sollysets tilfældige retninger og brede spektrum, så længe svingningsretningen er tilstrækkeligt konsistent .

Det var denne indsigt, der gjorde det muligt at bruge en naturlig og bredspektret lyskilde som alternativ til en laser.

Sådan samlede forskerne sollyset

Sollys ved naturlig intensitet er langt for svagt til at drive SPDC i en lille krystal. Derfor udviklede MPL-teamet under ledelse af Hamed Fattahi et koncentratorsystem i to trin:

• En vinduesstor Fresnel-linse med et opsamlingsareal på cirka 1,4 m² samlede sollyset.
• En kegleformet solkoncentrator af glas pressede lyset yderligere sammen og koblede det ind i en multimodeoptisk fiber.
• Fiberen førte det koncentrerede lys videre til den millimeterstore ikke-lineære krystal .

Systemet øgede lysintensiteten med flere størrelsesordener. Dermed blev det muligt at gennemføre SPDC med sollys i stedet for en laser.

Hvad kan det betyde for kvanteteknologi?

Lavere energiforbrug

Lasere til kvanteforsøg kræver både strøm og omfattende udstyr. En sollysdrevet kilde kan i princippet mindske energiforbruget, især i systemer, der skal fungere fjernt fra almindelig infrastruktur .

Det betyder ikke, at kvantecomputere pludselig kan drives direkte af dagslys. Resultatet handler mere specifikt om en mulig ny måde at fremstille sammenfiltrede fotoner på – en komponent, der bruges i blandt andet kvantekommunikation og kvantesansning.

Mulig anvendelse i rummet

Satellitter har adgang til sollys, men begrænset plads, masse og energikapacitet. En sollysdrevet sammenfiltringskilde kunne derfor på længere sigt blive lettere og mindre energikrævende end et system med en kraftig laser om bord.

Det kan være relevant for kvantenøgledistribution, ofte forkortet QKD, hvor kvanteegenskaber bruges til at opdage aflytning af krypteringsnøgler. En sådan anvendelse ligger dog fortsat et stykke ude i fremtiden .

Der er stadig langt til praktisk brug

Forsøget er først og fremmest et proof of concept – en demonstration af, at metoden fungerer. Flere væsentlige begrænsninger skal løses:

• Lav produktionstakt: Kilden skabte omkring 1,5 sammenfiltrede fotonpar i sekundet. Laserbaserede systemer kan typisk producere millioner i sekundet .
• Afhængighed af vejr og tidspunkt: Forsøget blev udført på en klar dag omkring middagstid. Skyer, atmosfærisk spredning og Solens placering påvirker resultatet .
• Omfangsrigt optisk udstyr: En Fresnel-linse på 1,4 m² og en stor solkoncentrator er ikke umiddelbart praktiske til feltbrug eller satellitter.
• Begrænset spektralområde: Den ikke-lineære krystal kan kun udnytte en lille del af Solens spektrum, fordi kun bestemte bølgelængder opfylder betingelserne for processen .
• Behov for mere udvikling: Effektivitet, stabilitet, størrelsen på udstyret og driftsikkerhed skal forbedres, før teknologien kan anvendes uden for laboratoriet .

Gennembruddet viser derfor ikke, at lasere er overflødige. Det viser, at den naturlige uorden i sollys ikke nødvendigvis forhindrer kvantesammenfiltring. Med den rette optiske konstruktion kan Solen levere råmaterialet til en kvantekilde – om end endnu i et langsomt og stort forsøgsopstilling.