השמש מייצרת שזירה קוונטית בלי לייזר

מדוע אור השמש נחשב לבלתי מתאים?

לייזר מספק פוטונים בעלי מאפיינים מסודרים יחסית: מופע מתואם, כיווני התפשטות דומים וטווח צר של אורכי גל. אור השמש, לעומת זאת, מגיע ממגוון כיוונים, מכיל טווח רחב של אורכי גל ומשתנה בזמן. במשך שנים סברו שהאקראיות הזו תטשטש את המתאמים הקוונטיים הנחוצים ליצירת שזירה.

אלא שהצוות הראה כי ההנחה הזו אינה נכונה כאשר המידע הקוונטי מקודד בקיטוב — הכיוון שבו השדה החשמלי של גל האור מתנודד.

התובנה התאורטית: הקיטוב חשוב יותר מהכאוס

הניתוח התאורטי הראה ששזירת קיטוב אינה תלויה בקוהרנטיות המרחבית או הספקטרלית של קרן השאיבה. כלומר, השזירה יכולה לשרוד גם כאשר כיוון התפשטות הפוטונים ואורך הגל שלהם משתנים. הגורם החשוב הוא עקביות כיוון התנודה של גל האור, כלומר הקיטוב .

התובנה הזו פתחה את הדלת לשימוש במקור טבעי ורחב־ספקטרום כמו השמש. אור השמש אינו חייב להיות מסודר בכל המאפיינים שלו — כל עוד המאפיין שבו מקודד המידע, הקיטוב, נשמר בצורה מתאימה.

איך ריכזו אור מפוזר אל גביש זעיר?

גם לאחר שהובהר שאור שמש יכול לשמש כמקור שאיבה, נותר מכשול הנדסי משמעותי: עוצמת אור השמש הטבעית נמוכה ומפוזרת מדי כדי להפעיל ביעילות SPDC בגביש שגודלו בסדר גודל של מילימטרים.

הצוות בראשות חאמד פתחי מ־MPL פתר את הבעיה באמצעות מערכת ריכוז דו־שלבית:

• עדשת פרנל גדולה, בשטח איסוף של כ־1.4 מ״ר, קלטה את אור השמש.
• רכז שמש חרוטי מזכוכית דחס את האור שנאסף והעביר אותו אל סיב אופטי רב־אופני.
• הסיב הוביל את האור המרוכז אל הגביש הלא־ליניארי הזעיר, שבו התרחש תהליך SPDC .

המערכת הגדילה את עוצמת ההארה בכמה סדרי גודל — מספיק כדי להפוך יצירת זוגות פוטונים מאור שמש לאפשרית בניסוי.

מה המשמעות עבור טכנולוגיות קוונטיות?

פחות תלות בלייזרים ובחשמל

מערכות קוונטיות רבות נשענות כיום על לייזרים מדויקים שצורכים אנרגיה ודורשים ציוד נלווה. שימוש באור שמש כמקור שאיבה עשוי להפחית את צריכת האנרגיה של מקורות שזירה, במיוחד במערכות מרוחקות או במתקנים שבהם אספקת החשמל מוגבלת .

עם זאת, אין פירוש הדבר שכל מחשב קוונטי יוכל לפעול ישירות מאור שמש. מדובר במקור לאחד הרכיבים האופטיים של המערכת — יצירת זוגות הפוטונים השזורים — ולא בפתרון מלא לכל צורכי האנרגיה של מחשוב קוונטי.

תקשורת קוונטית בחלל

לוויינים מקבלים גישה לאור שמש בעוצמה גבוהה וללא עננות. לכן, בעתיד, מקור שזירה המופעל באמצעות אור שמש עשוי לאפשר מערכות קלות ופשוטות יותר לתקשורת קוונטית ולחלוקת מפתחות קוונטיים (QKD), בלי להסתמך באותה מידה על לייזרים רבי־עוצמה המותקנים בלוויין .

זהו כיוון אפשרי בלבד, לא מערכת תקשורת מוכנה: ציוד חללי חייב להיות קטן, יציב ויעיל בהרבה מהמערכת הניסיונית.

מה עדיין מונע שימוש מעשי?

• קצב יצירת זוגות נמוך: המערכת המבוססת על אור שמש הפיקה בערך 1.5 זוגות פוטונים בשנייה, לעומת מיליוני זוגות בשנייה במערכות מבוססות לייזר .
• תלות בשעה ובמזג האוויר: הניסוי נערך בתנאי שמיים בהירים ובשעות הצהריים. עננות, פיזור באטמוספרה ומיקום השמש משפיעים על הביצועים, ולכן מערכת קרקעית אינה יכולה לפעול ברציפות .
• אופטיקה גדולה ומסורבלת: עדשת פרנל בשטח של 1.4 מ״ר ורכז חרוטי אינם פתרון נוח לפריסה בשטח או בחלל בלי מזעור משמעותי.
• תחום ספקטרלי שימושי צר: רק חלק קטן מספקטרום השמש מתאים לתנאי התאמת הפאזה של הגביש, ולכן חלק גדול מהאור שנאסף אינו מנוצל .
• הוכחת היתכנות בלבד: הניסוי מדגים עיקרון פיזיקלי, אך אינו מהווה עדיין התקן שאפשר לפרוס. נדרשים שיפורים ביעילות, ביציבות, בקצב היצירה ובממדים לפני שמקורות שזירה המופעלים באור שמש יהיו מעשיים .

החשיבות של התוצאה אינה בכך שאור השמש הפך לפתע ל״לייזר טבעי״. החידוש הוא שהחוקרים הראו כי גם מקור אור כאוטי ורחב־ספקטרום יכול להניע תהליך שמייצר שזירה קוונטית איכותית — אם מתכננים את המערכת כך שהאקראיות של השמש לא תפגע במאפיין הקוונטי הנכון.