Sollys kan skape kvantesammenfiltring – uten laser

Hvorfor sollys lenge ble ansett som uegnet

Fotonparene ble laget gjennom spontan parametrisk nedkonvertering, eller SPDC. I denne prosessen passerer et høyenergifoton gjennom en ikke-lineær krystall og kan bli omdannet til to fotoner med lavere energi som er kvantemekanisk sammenfiltret.

Tradisjonelt brukes en laser som «pumpelys». Laserlys har nøye samordnede faser, retninger og bølgelengder. Sollys er derimot romlig diffust, har et bredt spekter og består av fotoner med tilsynelatende tilfeldig fase og retning. Den etablerte antakelsen var derfor at denne uordenen ville ødelegge de kvantemekaniske korrelasjonene.

Den teoretiske nøkkelen

Forskerne viste at antakelsen ikke gjelder for alle former for sammenfiltring. Polarisasjonssammenfiltring er ikke avhengig av koherens i pumpelysets romlige eller spektrale egenskaper.

Polarisasjon beskriver retningen lysets elektriske felt svinger i. Når kvanteinformasjonen kodes i denne egenskapen, tåler sammenfiltringen at sollysets fotoner kommer fra ulike retninger og har ulike bølgelengder. Det avgjørende er at retningen på svingningene er tilstrekkelig konsistent .

Denne innsikten gjorde det mulig å bruke en naturlig og bredspektret lyskilde som «pumpe» for SPDC, så lenge systemet bevarer den relevante polarisasjonen.

Slik fikk de diffust sollys inn i krystallen

Sollys på vanlig intensitetsnivå er altfor spredt til å drive SPDC i en krystall på bare noen millimeter. Forskerne måtte derfor samle og konsentrere lyset kraftig.

Teamet ved MPL, ledet av Hamed Fattahi, utviklet et system i to trinn:

• En vindusstor Fresnel-linse med et samleareal på rundt 1,4 m² hentet inn sollys .
• En kjegleformet solkonsentrator laget av glass komprimerte lyset ytterligere og koblet det inn i en multimodusfiber. Fiberen førte lyset videre til den lille, ikke-lineære krystallen .

Oppsettet økte innstrålingen med flere størrelsesordener. Dermed ble det mulig å gjennomføre SPDC med sollys for første gang i denne typen demonstrasjon.

Hva kan dette bety for kvanteteknologi?

Lavere energiforbruk

Lasere som brukes i kvanteeksperimenter, kan være både energikrevende og ineffektive. En lyskilde som henter energi direkte fra solen, kan i prinsippet redusere energibehovet til systemer som lager kvantesammenfiltrede fotoner .

Det betyr ikke at kvanteutstyr straks kan drives av en enkel solcelle. Konsentratoren, sporingen av solen og resten av optikken krever fortsatt avansert utstyr. Men resultatet viser at selve pumpelyset ikke nødvendigvis må komme fra en kraftig laser.

Satellitter og kvantekommunikasjon

I verdensrommet er sollys tilgjengelig uten skyer og uten de samme atmosfæriske tapene som på bakken. En sollysdrevet kilde for sammenfiltrede fotoner kan derfor på sikt bli et enklere, lettere og mer energieffektivt alternativ for satellitter .

En mulig anvendelse er kvantenøkkeldistribusjon (QKD), der kvantemekaniske egenskaper brukes til å oppdage avlytting ved utveksling av krypteringsnøkler. En slik løsning kan redusere behovet for kraftige lasere om bord, men teknologien er foreløpig langt fra klar for praktisk bruk.

Begrensningene er fortsatt betydelige

• Svært lav produksjonsrate: Forsøket produserte rundt 1,5 sammenfiltrede fotonpar i sekundet. Laserbaserte systemer kan produsere millioner per sekund .
• Avhengighet av vær og tidspunkt: Forsøket ble gjennomført på en klar dag rundt middag. Skyer, atmosfærisk spredning og solens posisjon påvirker ytelsen, slik at et bakkebasert system ikke kan fungere stabilt hele døgnet .
• Stor optikk: En Fresnel-linse på 1,4 m² og en egen solkonsentrator er klumpete. Utstyr som skal brukes i felt eller sendes ut i rommet, må bli betydelig mindre og mer robust.
• Begrenset spektralområde: Bare en liten del av sollysets spekter passer til krystallens fasebetingelser. Mesteparten av det innsamlede lyset kan derfor ikke utnyttes effektivt .
• Foreløpig et prinsippbevis: Dagens oppsett er ikke et ferdig produkt. Det trengs mer arbeid med effektivitet, stabilitet, solsporing og miniatyrisering før sollysdrevne kvantekilder kan tas i praktisk bruk .

Det viktigste resultatet er dermed ikke at sollys allerede kan erstatte lasere i kvanteindustrien. Det er at forskerne har vist at den tilsynelatende uordenen i naturlig lys ikke nødvendigvis hindrer produksjon av ekte kvantesammenfiltring.