Solen skapar kvantsammanflätning – utan laser

Varför solljus länge ansågs olämpligt

Vid SPDC passerar en energirikare foton genom en icke-linjär kristall och omvandlas till två fotoner med lägre energi. De två fotonerna kan då bli kvantsammanflätade.

Laserljus har normalt en mycket hög grad av koherens: fotonerna är nära samordnade i fas, riktning och våglängd. Solljus är däremot diffust och bredspektrigt. Fotonerna kommer från många riktningar, har slumpmässiga faser och spänner över ett stort intervall av våglängder. Den vanliga utgångspunkten var därför att solljusets oordning skulle förstöra de kvantkorrelationer som krävs.

Den teoretiska nyckeln: fokusera på polarisationen

Forskarna visade att polariseringssammanflätning inte behöver koherens i pumpstrålens rumsliga eller spektrala egenskaper. När kvantinformationen kodas i fotonernas polarisation – den riktning som ljusvågens elektriska fält svänger i – kan sammanflätningen stå emot variationer i både färg och spridningsriktning.

Det avgörande är i stället att svängningsriktningen är tillräckligt konsekvent genom den del av ljuset som används . Den insikten öppnade för att använda en naturlig, bredspektrig och i övrigt inkompatibel ljuskälla som pump för SPDC.

Så koncentrerades det diffusa solljuset

Solljusets naturliga intensitet är för låg för att driva SPDC i en kristall som bara är omkring en millimeter stor. Forskargruppen vid MPL, under ledning av Hamed Fattahi, byggde därför ett koncentratorsystem i två steg:

• En fönsterstor Fresnel-lins med en insamlingsyta på ungefär 1,4 m² samlade in solljus .
• En konformad solkoncentrator helt i glas pressade ihop ljuset ytterligare och kopplade det till en multimodfiber .

Fibern, som är ungefär lika tunn som ett hårstrå, ledde det koncentrerade ljuset till den lilla icke-linjära kristallen. På så sätt ökade ljusintensiteten med flera storleksordningar och gjorde solljusdriven SPDC möjlig.

Vad kan tekniken användas till?

Mindre energibehov

Lasrarna i dagens kvantexperiment kräver betydande elektrisk effekt. En solljusdriven källa skulle kunna minska energiförbrukningen hos system som producerar kvantsammanflätade fotoner, särskilt i avlägsna miljöer där tillgången till el är begränsad .

Det betyder dock inte att kvantteknik plötsligt blir energifri. Det behövs fortfarande optik, detektorer och annan elektronik. Vinsten skulle främst vara att den energikrävande pump-lasern kan ersättas.

Satellitbaserad kvantkommunikation

I rymden finns solljus tillgängligt under långa perioder utan moln och väderstörningar. En framtida solljusdriven källa för sammanflätade fotoner skulle därför kunna bli lättare och mer energieffektiv än ett satellitsystem med en kraftfull laser.

Det skulle på sikt kunna underlätta kvantnyckeldistribution, QKD, där kvantmekaniska egenskaper används för att upptäcka avlyssning vid skapandet av krypteringsnycklar . Det är dock en möjlig framtida tillämpning – inte något som experimentet redan har demonstrerat i omloppsbana.

Begränsningarna är fortfarande stora

• Få fotonpar: Den solljusdrivna källan producerade omkring 1,5 par per sekund, medan laserbaserade system kan ge miljontals par per sekund .
• Beroende av väder och tid på dygnet: Experimentet genomfördes under klara förhållanden mitt på dagen. Moln, atmosfärisk spridning och solens position påverkar resultatet, vilket gör kontinuerlig drift på marken svår .
• Stor optik: Fresnel-linsen på 1,4 m² och glaskoncentratorn är skrymmande. En praktisk satellit- eller fältlösning skulle behöva bli betydligt mindre och robustare.
• Begränsat spektrum: Kristallen kan bara utnyttja en liten del av solljusets spektrum genom så kallad fasmatchning. Det mesta av den insamlade energin går därför till spillo .
• Ett principbevis: Experimentet visar att metoden fungerar, men det är långt kvar till en färdig produkt. Effektivitet, stabilitet, vädertålighet och miniatyrisering måste förbättras innan tekniken kan användas brett .

Genombrottet ligger därför främst i att en tidigare antagen gräns har försvunnit: laserljus är inte det enda sättet att skapa polariseringssammanflätade fotoner. Om tekniken kan skalas kan solljus i framtiden bli en enkel och energisnål resurs för vissa kvantoptiska system.