Światło słoneczne wytwarza splątane fotony bez użycia lasera

Dlaczego wcześniej sądzono, że światło słoneczne się nie nadaje?

Lasery dostarczają fotony o uporządkowanej fazie, kierunku propagacji i długości fali. Światło słoneczne jest pod tym względem chaotyczne: fotony docierają z różnych kierunków, mają losowe fazy i szeroki zakres długości fal. Przez lata zakładano, że taka przypadkowość zniszczy delikatne korelacje potrzebne do uzyskania splątania.

Naukowcy wykazali jednak, że ten wniosek nie dotyczy każdego rodzaju splątania.

Decydująca była polaryzacja

Kluczowy wniosek teoretyczny brzmi: splątanie polaryzacyjne nie wymaga spójności przestrzennej ani widmowej wiązki pompującej. Polaryzacja opisuje kierunek, w którym drga fala świetlna. Jeśli informacja kwantowa zostanie zakodowana właśnie w tej właściwości, splątanie może przetrwać losowe różnice w kierunku propagacji i długości fali .

Innymi słowy, światło słoneczne nie musi być tak uporządkowane jak światło lasera we wszystkich aspektach. Wystarczy zachować odpowiednią zgodność polaryzacji, a pozostała „naturalna” różnorodność promieniowania nie uniemożliwia powstania splątanej pary.

Jak skupiono rozproszone światło na małym krysztale?

Sama intensywność światła słonecznego jest zbyt mała, by skutecznie uruchomić SPDC w kryształku o rozmiarze rzędu milimetrów. Zespół MPL, kierowany przez Hameda Fattahiego, zastosował więc układ składający się z dwóch etapów koncentracji:

• Soczewka Fresnela o powierzchni około 1,4 m² zbierała promieniowanie słoneczne.
• Szklany koncentrator w kształcie stożka dodatkowo kompresował wiązkę i sprzęgał ją ze światłowodem wielomodowym.
• Światłowód dostarczał skoncentrowane światło do niewielkiego kryształu nieliniowego, w którym zachodził proces SPDC .

Taki układ zwiększył natężenie światła na krysztale o kilka rzędów wielkości. Dzięki temu po raz pierwszy udało się praktycznie wykorzystać światło słoneczne jako wiązkę pompującą dla tego rodzaju źródła splątania.

Co to może oznaczać dla technologii kwantowych?

Mniejsze zużycie energii

Lasery wykorzystywane w eksperymentach kwantowych wymagają energii, zasilania i dodatkowej aparatury stabilizującej. Wykorzystanie naturalnego światła mogłoby ograniczyć ślad energetyczny źródeł splątanych fotonów, zwłaszcza w odległych lokalizacjach lub systemach działających poza siecią energetyczną .

Nie oznacza to jednak, że lasery wkrótce znikną z laboratoriów. Obecny eksperyment jest demonstracją zasady, a nie gotowym zamiennikiem laserowych źródeł kwantowych.

Łączność kwantowa w kosmosie

Przestrzeń kosmiczna oferuje obfite światło słoneczne, a satelity nie są uzależnione od chmur czy zmiennej pogody w taki sposób jak instalacje naziemne. W przyszłości źródło pompowane światłem słonecznym mogłoby być lżejsze i prostsze niż system wyposażony w laser o dużej mocy. Taki kierunek rozwoju mógłby wesprzeć satelitarną dystrybucję klucza kwantowego (QKD), czyli wymianę kluczy szyfrujących z wykorzystaniem praw mechaniki kwantowej .

To na razie potencjalny scenariusz, a nie bezpośredni rezultat eksperymentu. Zanim podobne urządzenia trafią na orbitę, konieczne będzie rozwiązanie kilku poważnych problemów konstrukcyjnych.

Co nadal ogranicza tę technologię?

• Bardzo mała liczba generowanych par: układ słoneczny wytwarzał około 1,5 pary splątanych fotonów na sekundę, podczas gdy źródła laserowe mogą osiągać miliony par na sekundę .
• Zależność od pogody i pory dnia: doświadczenie przeprowadzono w słoneczny dzień, około południa. Chmury, rozpraszanie atmosferyczne i położenie Słońca wpływają na działanie systemu .
• Duże elementy optyczne: soczewka o powierzchni 1,4 m² i stożkowy koncentrator są nieporęczne. Zastosowania terenowe i kosmiczne wymagałyby ich znaczącej miniaturyzacji.
• Wąskie pasmo użytecznego promieniowania: kryształ jest dopasowany fazowo tylko do niewielkiej części widma słonecznego, więc większość zebranego światła nie bierze udziału w procesie .
• Etap demonstracji laboratoryjnej: potrzebne są dalsze prace nad wydajnością, stabilnością, odpornością na warunki zewnętrzne i rozmiarami urządzenia .

Najważniejszy wniosek nie brzmi więc, że każde światło słoneczne samo z siebie tworzy splątanie. Przełom polega na pokazaniu, że po odpowiednim zebraniu, odfiltrowaniu i skupieniu naturalne, niespójne światło może zasilać proces, który dotąd kojarzono niemal wyłącznie z precyzyjnymi laserami.