Солнечный свет создал квантовую запутанность без лазера

Важно уточнить: речь не о том, что весь дневной свет внезапно стал «запутанным». Исследователи собрали и подготовили солнечный свет, а затем использовали его как накачку для специального кристалла, где и возникли пары запутанных фотонов.

Почему лазер считался необходимым

В SPDC фотон с более высокой энергией взаимодействует с нелинейным кристаллом и превращается в два фотона с меньшей энергией, которые могут оказаться квантово запутанными. Ранее считалось, что для этого нужен когерентный лазерный источник: лазерные фотоны имеют согласованные фазы, направления распространения и длины волн.

Солнечный свет устроен иначе. Он пространственно рассеян, охватывает широкий спектр и меняется во времени: фотоны приходят с разными фазами, направлений и цветов у них много. На первый взгляд такая хаотичность должна была разрушить квантовые корреляции.

Идея, которая изменила расчёт

Команда показала, что для поляризационной запутанности когерентность солнечного света по пространству и спектру не является обязательной. Если квантовая информация закодирована в поляризации — направлении, в котором колеблется электрическое поле световой волны, — случайность направления распространения и длины волны не обязательно уничтожает запутанность.

Ключевым условием остаётся согласованность поляризации, то есть направления колебаний световой волны . Именно этот вывод позволил рассматривать широкий и некогерентный солнечный спектр как источник накачки для SPDC.

Как солнечный свет сфокусировали на кристалле

Одной теории было недостаточно. В обычных условиях солнечный свет слишком рассеян, а SPDC требует очень высокой освещённости на крошечном нелинейном кристалле миллиметрового масштаба.

Исследователи под руководством Хамеда Фаттахи создали двухступенчатую систему концентрации:

• большая линза Френеля с площадью сбора примерно 1,4 м² собирала прямой солнечный свет;
• стеклянный концентратор конической формы дополнительно сжимал поток;
• затем свет вводился в многомодовое оптоволокно и доставлялся к нелинейному кристаллу .

Такая конструкция повысила освещённость на кристалле на несколько порядков и сделала генерацию запутанных фотонов от солнечной накачки возможной.

Что это может изменить в квантовых технологиях

Меньшее энергопотребление

Лазеры, применяемые в квантовых экспериментах, требуют заметного количества энергии и дополнительной аппаратуры. Если солнечный источник удастся сделать достаточно эффективным и стабильным, он сможет снизить энергозатраты на генерацию квантового света — прежде всего в удалённых системах и космических аппаратах .

Перспектива для спутниковой связи

На орбите солнечный свет доступен в течение длительных периодов и не зависит от облачности или потерь в земной атмосфере. Поэтому в будущем солнечная накачка теоретически может упростить и облегчить спутниковые источники запутанных фотонов, используемые, например, для квантового распределения ключей (QKD) .

Однако это пока лишь возможное направление развития, а не готовая технология космической связи.

Что пока мешает практическому применению

• Очень низкая скорость генерации. В солнечной установке получали примерно 1,5 пары фотонов в секунду, тогда как лазерные системы способны выдавать миллионы пар в секунду .
• Зависимость от условий наблюдения. Эксперимент проводили при ясной погоде в полдень. Облака, рассеяние в атмосфере и положение Солнца влияют на результат, поэтому наземная система не может работать непрерывно .
• Громоздкая оптика. Линза площадью 1,4 м² и конический концентратор пока плохо подходят для компактных полевых или спутниковых устройств.
• Ограниченный спектральный диапазон. Нелинейный кристалл работает лишь с узкой частью солнечного спектра; большая доля собранного света не используется .
• Демонстрация принципа, а не готовый прибор. Необходимы дальнейшие работы по повышению эффективности, стабилизации системы и уменьшению её размеров .

Таким образом, результат не означает скорого отказа от лазеров в квантовой технике. Но он меняет исходную постановку задачи: для некоторых типов квантовых источников важнее не идеальная упорядоченность света, а правильный выбор свойства фотонов, в котором кодируется квантовая информация.