Il Sole genera entanglement quantistico senza laser: la svolta della fedeltà al 94%

Il risultato non significa che la luce del giorno, così com’è, sia un unico fascio di fotoni entangled. Sono stati invece generati fotoni entangled all’interno di un apparato che raccoglie, concentra e filtra la luce solare.

Un risultato vicino allo stato ideale

Le misure hanno indicato una fedeltà di 0,939 ± 0,027 rispetto a uno stato ideale di Bell e una concurrence di 0,905 ± 0,053, due parametri che descrivono la qualità dell’entanglement .

Le correlazioni tra i fotoni hanno inoltre prodotto un valore di Bell pari a S = 2,5408 ± 0,2171, superiore alla soglia classica di 2. La violazione, riportata come pari a circa 2,49 deviazioni standard, è un’indicazione che il comportamento osservato non può essere spiegato dalla fisica classica .

Perché il Sole sembrava inadatto

La SPDC è stata a lungo associata a una sorgente coerente, come un laser. I fotoni laser presentano infatti relazioni controllate tra fase, direzione di propagazione e lunghezza d’onda.

La luce solare è molto diversa: è spazialmente diffusa, composta da un ampio spettro di colori e caratterizzata da una dinamica temporale irregolare. I suoi fotoni arrivano con fasi e direzioni diverse. L’ipotesi tradizionale era che questo disordine avrebbe cancellato le correlazioni quantistiche necessarie per produrre entanglement.

L’intuizione teorica decisiva

Il gruppo di ricerca ha mostrato che questa conclusione non vale per ogni tipo di entanglement. Se l’informazione quantistica viene codificata nella polarizzazione — la direzione in cui oscilla il campo elettrico dell’onda luminosa — l’entanglement può restare intatto anche quando la sorgente non è coerente dal punto di vista spaziale o spettrale .

In altre parole, non è necessario che tutti i fotoni del fascio abbiano la stessa direzione o lo stesso colore. È sufficiente preservare la coerenza della polarizzazione, cioè della direzione di oscillazione scelta per codificare l’informazione. Questa intuizione ha aperto la possibilità di usare una sorgente naturale, incoerente e a banda larga come pompa per la SPDC.

Come hanno concentrato la luce solare

La luce del Sole, alla sua intensità naturale, è troppo poco concentrata per alimentare efficacemente la SPDC su un cristallo non lineare grande appena pochi millimetri. La difficoltà principale era quindi portare abbastanza energia su una superficie molto piccola.

Il team dell’MPL, guidato da Hamed Fattahi, ha risolto il problema con un sistema a due stadi:

• una lente di Fresnel delle dimensioni approssimative di una finestra, con un’area di raccolta di circa 1,4 m², ha catturato la luce solare ;
• un concentratore solare conico interamente in vetro ha compresso ulteriormente il fascio e lo ha accoppiato a una fibra ottica multimodale ;
• la fibra ha trasportato la luce concentrata fino al piccolo cristallo non lineare, dove è avvenuta la conversione parametrica spontanea.

Il sistema ha aumentato l’irradianza sul cristallo di diversi ordini di grandezza, rendendo possibile la generazione di coppie entangled alimentata dalla luce solare.

Che cosa può cambiare nelle tecnologie quantistiche

Meno energia per generare entanglement

I laser impiegati negli esperimenti quantistici richiedono alimentazione, sistemi di controllo e componenti dedicati. Una sorgente basata sulla luce solare potrebbe ridurre il consumo energetico delle fonti di fotoni entangled, soprattutto in installazioni remote o difficili da alimentare .

Il vantaggio, però, non è ancora automatico: raccogliere e concentrare la luce richiede ottiche di grandi dimensioni e un sistema capace di seguire il Sole. Il risultato dimostra soprattutto che il laser non è un requisito fisico imprescindibile.

Una possibile applicazione nello spazio

In orbita, un apparato può ricevere luce solare senza i problemi legati alle nuvole e alle variazioni meteorologiche che complicano un sistema terrestre. Una sorgente di entanglement alimentata dal Sole potrebbe quindi, in futuro, ridurre la necessità di laser ad alta potenza a bordo dei satelliti e rendere più semplici alcune architetture per la distribuzione quantistica delle chiavi, o QKD (quantum key distribution) .

Si tratta tuttavia di una prospettiva, non di una tecnologia spaziale già pronta. Un dispositivo destinato a un satellite dovrebbe essere molto più compatto, stabile ed efficiente dell’apparato sperimentale.

I limiti ancora da superare

• Tasso di generazione ridotto: il sistema solare ha prodotto circa 1,5 coppie al secondo, contro i milioni di coppie al secondo tipici delle sorgenti basate su laser .
• Dipendenza da condizioni ambientali: i test sono stati condotti in una giornata serena e intorno a mezzogiorno. Nuvole, diffusione atmosferica e posizione del Sole influenzano le prestazioni .
• Ottiche ingombranti: una lente da 1,4 m² e un concentratore conico non sono ancora una soluzione pratica per applicazioni sul campo o nello spazio.
• Banda spettrale limitata: nel cristallo soltanto una porzione ridotta dello spettro solare soddisfa le condizioni di adattamento di fase; gran parte dell’energia raccolta non viene quindi utilizzata .
• Dimostrazione ancora preliminare: servono ulteriori lavori per aumentare l’efficienza, migliorare la stabilità e miniaturizzare il sistema prima di poter parlare di un dispositivo realmente impiegabile .

La portata della ricerca è dunque soprattutto concettuale: dimostra che la luce naturale, pur essendo caotica rispetto a un laser, può alimentare una sorgente di entanglement di alta qualità quando l’informazione viene affidata alla polarizzazione. Il prossimo passo sarà trasformare questa prova di principio in una piattaforma abbastanza efficiente e compatta da poter uscire dal laboratorio.