Cahaya matahari kini boleh menghasilkan foton terikat secara kuantum

Mengapa cahaya matahari dianggap tidak sesuai?

Dalam proses SPDC, satu foton berkuasa tinggi berinteraksi dengan hablur bukan linear lalu menghasilkan dua foton berkuasa lebih rendah yang boleh mempunyai hubungan kuantum.

Sebelum ini, sumber pam yang koheren seperti laser dianggap penting kerana foton laser mempunyai fasa, arah dan panjang gelombang yang lebih sepadan. Cahaya matahari pula bersifat tidak koheren: fotonnya tiba dengan fasa yang tidak teratur, dari pelbagai arah dan merangkumi julat spektrum yang luas.

Anggapan umum ialah ketidakaturan itu akan memusnahkan korelasi kuantum yang diperlukan untuk menghasilkan keterikatan.

Pandangan teori yang mengubah andaian lama

Penyelidik menunjukkan bahawa keterikatan polarisasi tidak bergantung pada koheren ruang atau spektrum cahaya pam. Selagi maklumat kuantum dikodkan pada polarisasi, keterikatan itu boleh kekal walaupun arah perambatan dan panjang gelombang cahaya berubah-ubah .

Dalam erti kata mudah, cahaya matahari tidak perlu seragam dalam semua aspek. Perkara yang paling penting ialah keseragaman arah ayunan gelombang cahaya. Pemahaman ini membuka kemungkinan menggunakan sumber cahaya semula jadi yang tidak koheren dan mempunyai spektrum luas sebagai cahaya pam untuk SPDC.

Bagaimana cahaya matahari difokuskan?

Cabaran seterusnya ialah keamatan. Cahaya matahari pada keadaan biasa terlalu tersebar untuk menggerakkan proses SPDC pada hablur bukan linear yang hanya bersaiz kira-kira satu milimeter.

Pasukan MPL yang diketuai Hamed Fattahi membina sistem pemekat dua peringkat:

• Kanta Fresnel bersaiz tingkap dengan kawasan pengumpulan kira-kira 1.4 m² mengumpulkan cahaya matahari .
• Pemekat suria kaca berbentuk kon memampatkan cahaya itu dengan lebih lanjut sebelum menyalurkannya ke dalam gentian optik multimod .

Gentian tersebut kemudian menghantar cahaya yang telah dipadatkan ke hablur bukan linear bersaiz milimeter. Susunan ini meningkatkan keamatan cahaya sebanyak beberapa susunan magnitud, menjadikan SPDC berasaskan cahaya matahari boleh dilaksanakan buat kali pertama dalam eksperimen ini.

Apa maknanya untuk teknologi kuantum?

Potensi penggunaan tenaga yang lebih rendah

Eksperimen kuantum lazimnya menggunakan laser yang memerlukan banyak tenaga dan sistem sokongan yang kompleks. Jika cahaya matahari boleh menggantikan laser dalam sumber keterikatan tertentu, penggunaan tenaga keseluruhan berpotensi dikurangkan—terutamanya untuk sistem jauh atau yang sukar dibekalkan elektrik .

Namun, ini masih belum bermakna semua komputer kuantum boleh beroperasi hanya dengan cahaya matahari. Penemuan tersebut ialah demonstrasi sumber foton kuantum, bukan sistem komputer kuantum lengkap.

Kemungkinan untuk komunikasi kuantum di angkasa

Satelit menerima cahaya matahari yang banyak dan tidak berdepan masalah awan seperti sistem di permukaan bumi. Pada masa hadapan, sumber keterikatan yang dipam oleh cahaya matahari mungkin menghasilkan reka bentuk satelit yang lebih ringan dan kurang bergantung pada laser berkuasa tinggi.

Ia berpotensi menyokong pautan pengagihan kunci kuantum (QKD), iaitu kaedah menggunakan prinsip kuantum untuk membantu mengesan cubaan mencelah dalam komunikasi, tanpa memerlukan laser berkuasa tinggi sebagai komponen utama .

Batasan yang masih perlu diatasi

• Kadar penghasilan pasangan masih rendah: Sistem berasaskan cahaya matahari menghasilkan kira-kira 1.5 pasangan sesaat, jauh lebih rendah berbanding sistem berasaskan laser yang boleh menghasilkan jutaan pasangan sesaat .
• Bergantung pada cuaca dan waktu: Eksperimen dilakukan pada hari yang cerah sekitar tengah hari. Awan, serakan atmosfera dan kedudukan matahari boleh menjejaskan prestasi, menyebabkan sistem di bumi sukar beroperasi secara berterusan .
• Peralatan pengumpulan masih besar: Kanta Fresnel seluas 1.4 m² bersama pemekat berbentuk kon belum sesuai untuk penggunaan lapangan atau angkasa tanpa pengecilan dan pengukuhan reka bentuk.
• Hanya sebahagian kecil spektrum boleh digunakan: Hablur bukan linear hanya sepadan dengan jalur spektrum tertentu, menyebabkan sebahagian besar tenaga cahaya matahari yang dikumpulkan tidak dimanfaatkan .
• Masih pada tahap bukti konsep: Kejayaan ini belum menghasilkan peranti yang boleh terus digunakan. Kecekapan, kestabilan dan saiz sistem perlu diperbaiki dengan ketara sebelum sumber kuantum berkuasa cahaya matahari menjadi praktikal .

Penemuan ini tidak bermaksud cahaya siang biasa terus menjadi pancaran foton terikat. Sebaliknya, ia menunjukkan bahawa dengan penapisan, penumpuan dan kawalan polarisasi yang tepat, sumber semula jadi yang kelihatan kacau masih boleh digunakan untuk menghasilkan keadaan kuantum berkualiti tinggi.