Sonnenlicht erzeugt Quantenverschränkung – ganz ohne Laser

Die erzeugten Photonen waren mit einer Genauigkeit von 0,939 ± 0,027 an einen idealen Bell-Zustand angenähert. Ihre Konkordanz lag bei 0,905 ± 0,053. Außerdem überschritten die gemessenen Korrelationen die klassische Grenze der Bellschen Ungleichung – ein Nachweis für echte Quantenverschränkung .

Der entscheidende Trick: Polarisation statt Lichtordnung

Bei SPDC trifft ein energiereiches Pump-Photon in einem nichtlinearen Kristall auf das Material und kann dabei in zwei energieärmere Photonen umgewandelt werden. Unter geeigneten Bedingungen sind diese beiden Photonen quantenmechanisch miteinander verschränkt.

Warum sollte das mit Sonnenlicht funktionieren, obwohl dessen Ausbreitungsrichtung, Farbe und Phase zufällig variieren? Die theoretische Analyse des Teams liefert die Antwort: Polarisationsverschränkung hängt nicht von der räumlichen oder spektralen Kohärenz der Pumpquelle ab. Wird die Quanteninformation in der Polarisation – also in der Richtung der Lichtschwingung – gespeichert, übersteht die Verschränkung die zufälligen Richtungen und Wellenlängen des Sonnenlichts. Entscheidend ist vielmehr, dass die relevante Schwingungsrichtung konsistent bleibt .

Das bedeutet allerdings nicht, dass gewöhnliches Tageslicht direkt als verschränkter Lichtstrahl aus dem Himmel kommt. Die Forschenden nutzten Sonnenlicht als Pumpquelle für den Kristall, der daraus die verschränkten Photonenpaare erzeugte .

Wie diffuse Sonnenstrahlen auf einen winzigen Kristall gelangen

Die theoretische Möglichkeit war nur die halbe Miete. In seiner natürlichen Intensität ist Sonnenlicht zu schwach und zu stark verteilt, um auf einem nur etwa millimetergroßen Kristall SPDC effizient anzuregen.

Das Team um Hamed Fattahi am MPL entwickelte deshalb ein zweistufiges Konzentratorsystem:

• Eine große Fresnel-Linse mit einer Sammelfläche von ungefähr 1,4 m² fing das direkte Sonnenlicht ein .
• Ein kegelförmiger Konzentrator aus Glas bündelte das Licht weiter und koppelte es in eine Multimode-Glasfaser ein .
• Die Faser leitete das konzentrierte Licht anschließend zum nichtlinearen Kristall weiter.

So ließ sich die Bestrahlungsstärke um mehrere Größenordnungen erhöhen. Erst dadurch wurde die Sonnenlicht-betriebene SPDC-Quelle im Freien möglich.

Warum das für Quantentechnik interessant ist

Weniger Energie für Quantenlichtquellen

Viele quantenoptische Experimente verwenden leistungsintensive Laser. Eine Pumpquelle, die stattdessen auf verfügbarem Sonnenlicht basiert, könnte den Energiebedarf künftiger Verschränkungsquellen deutlich senken – insbesondere bei Anwendungen an abgelegenen Orten oder im All .

Potenzial für Quantenkommunikation im All

Satelliten erhalten Sonnenlicht in großer Menge und müssen nicht auf eine Stromversorgung für einen leistungsstarken Laser zurückgreifen. Eine kompakte, sonnenlichtgepumpte Quelle könnte langfristig bei der Erzeugung verschränkter Photonen für Quantenkommunikation und Quantenschlüsselverteilung (QKD) helfen. Denkbar wären leichtere und energieeffizientere Systeme, sofern sich die Technik ausreichend miniaturisieren und stabilisieren lässt .

Das ist jedoch ein mögliches Zukunftsszenario, keine bereits einsatzbereite Satellitentechnologie.

Die wichtigsten Grenzen des Versuchs

Der aktuelle Aufbau ist vor allem ein Machbarkeitsnachweis. Bis zu einer praktischen Anwendung müssen mehrere Probleme gelöst werden:

• Sehr geringe Rate: Die Sonnenlichtquelle erzeugte ungefähr 1,5 verschränkte Photonenpaare pro Sekunde. Laserbasierte Systeme kommen typischerweise auf Millionen Paare pro Sekunde .
• Abhängigkeit von Wetter und Tageszeit: Der Versuch fand bei klarem Himmel um die Mittagszeit statt. Wolken, atmosphärische Streuung und der Sonnenstand beeinflussen die Leistung; auf der Erde wäre ein Dauerbetrieb daher nicht gewährleistet .
• Große Optik: Eine Fresnel-Linse mit 1,4 m² Fläche samt Glaskonzentrator ist für viele mobile oder weltraumgestützte Anwendungen zu sperrig.
• Nur ein kleiner Spektralbereich nutzbar: Der Kristall ist nur für einen begrenzten Teil des breiten Sonnenspektrums phasenangepasst. Ein großer Teil des eingesammelten Lichts bleibt deshalb ungenutzt .
• Noch keine fertige Technologie: Effizienz, Langzeitstabilität und Miniaturisierung müssen deutlich verbessert werden, bevor sonnenlichtbetriebene Quantenquellen außerhalb des Labors praktisch einsetzbar sind .

Der eigentliche Durchbruch liegt damit weniger in einer sofort verfügbaren Solar-Quantenkommunikation als in einer neuen Einsicht: Selbst chaotisches, natürliches Licht kann unter den richtigen Bedingungen als Ausgangspunkt für hochwertige Quantenverschränkung dienen.