แสงอาทิตย์สร้างโฟตอนพัวพันควอนตัมได้โดยไม่ใช้เลเซอร์

อย่างไรก็ตาม ผลงานนี้ไม่ได้หมายความว่าแสงแดดทั่วไปกลายเป็นลำแสงพัวพันโดยตรง แต่หมายถึงนักวิจัยสามารถนำแสงอาทิตย์มาใช้เป็นแหล่งปั๊มให้ระบบสร้างโฟตอนพัวพันผ่านอุปกรณ์ออปติคัลที่ออกแบบเฉพาะ

เหตุใดก่อนหน้านี้จึงคิดว่าเป็นไปไม่ได้

การสร้างโฟตอนพัวพันในงานทดลองมักใช้กระบวนการ การแปลงพาราเมตริกลงแบบเกิดขึ้นเอง หรือ SPDC (spontaneous parametric down-conversion) โดยให้โฟตอนพลังงานสูงผ่านผลึกไม่เชิงเส้น จากนั้นโฟตอนดังกล่าวอาจเปลี่ยนเป็นโฟตอนพลังงานต่ำ 2 ตัวที่มีความสัมพันธ์ทางควอนตัม

ที่ผ่านมา นักวิจัยเชื่อว่ากระบวนการนี้ต้องใช้แสงเลเซอร์ที่มีความสอดคล้องสูง เพราะโฟตอนจากเลเซอร์มีเฟส ทิศทาง และช่วงความถี่ที่เป็นระเบียบมากกว่า ขณะที่แสงอาทิตย์มีลักษณะตรงกันข้าม คือมาจากหลายทิศทาง มีช่วงความถี่กว้าง และมีเฟสที่ไม่เป็นระเบียบ ความเชื่อเดิมคือความแปรปรวนเหล่านี้จะทำลายความสัมพันธ์เชิงควอนตัมไปเสียก่อน

จุดเปลี่ยนอยู่ที่ “โพลาไรเซชัน”

ข้อค้นพบทางทฤษฎีของทีมวิจัยคือ ความพัวพันเชิงโพลาไรเซชันไม่ได้จำเป็นต้องพึ่งความสอดคล้องของแสงในมิติเชิงพื้นที่หรือเชิงสเปกตรัม

โพลาไรเซชันหมายถึงทิศทางที่สนามไฟฟ้าของคลื่นแสงสั่น หากข้อมูลควอนตัมถูกเข้ารหัสไว้ในคุณสมบัตินี้ ความพัวพันยังคงทนต่อความไม่แน่นอนของทิศทางการเดินทางและช่วงความถี่ของโฟตอนจากแสงอาทิตย์ สิ่งที่สำคัญกว่าคือทิศทางการสั่นของคลื่นแสงต้องมีความสอดคล้องกัน

แนวคิดนี้ทำให้แสงธรรมชาติซึ่งมีความสอดคล้องต่ำและมีสเปกตรัมกว้าง สามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งปั๊มสำหรับ SPDC ได้ โดยไม่จำเป็นต้องจัดระเบียบคุณสมบัติของแสงทุกด้านเหมือนกับลำแสงเลเซอร์

รวมแสงอาทิตย์ให้แรงพอสำหรับผลึกขนาดเล็ก

ความท้าทายทางวิศวกรรมคือ แม้แสงอาทิตย์จะมีพลังงานมากในภาพรวม แต่มีความกระจายตัวสูงเกินไปสำหรับการขับกระบวนการ SPDC ซึ่งต้องใช้ความเข้มแสงสูงมากบนผลึกไม่เชิงเส้นขนาดเพียงระดับมิลลิเมตร

ทีม MPL ซึ่งนำโดย Hamed Fattahi แก้ปัญหานี้ด้วยระบบรวมแสง 2 ขั้นตอน ได้แก่

• เลนส์เฟรเนลขนาดประมาณ 1.4 ตารางเมตร ทำหน้าที่รับแสงอาทิตย์จากท้องฟ้า
• ตัวรวมแสงแก้วรูปกรวย บีบอัดแสงที่รวบรวมได้ต่ออีกขั้น ก่อนส่งเข้า ใยแก้วนำแสงแบบหลายโหมด เพื่อนำแสงไปยังผลึกไม่เชิงเส้นขนาดเล็ก

การจัดวางดังกล่าวเพิ่มความเข้มแสงบนผลึกขึ้นหลายลำดับขนาด จนทำให้การสร้างโฟตอนคู่จากแสงอาทิตย์เป็นไปได้จริง

ความหวังต่อการสื่อสารควอนตัมในอวกาศ

หากพัฒนาให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น แหล่งกำเนิดที่ใช้แสงอาทิตย์อาจช่วยลดภาระพลังงานของระบบควอนตัมได้ เนื่องจากไม่ต้องพึ่งเลเซอร์กำลังสูงซึ่งใช้พลังงานและอุปกรณ์ควบคุมจำนวนมาก

แนวคิดนี้น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับดาวเทียม เพราะในวงโคจรมีแสงอาทิตย์ให้ใช้ได้อย่างต่อเนื่องมากกว่าบนพื้นโลก และไม่ต้องเผชิญเมฆหรือการสูญเสียจากบรรยากาศในระดับเดียวกัน ระบบที่ใช้แสงอาทิตย์เป็นแหล่งปั๊มอาจมีน้ำหนักเบา เรียบง่าย และประหยัดพลังงานกว่าแหล่งกำเนิดที่ใช้เลเซอร์ ซึ่งอาจเป็นประโยชน์ต่อการสื่อสารด้วยกุญแจควอนตัม หรือ QKD (quantum key distribution) ในอนาคต

ยังห่างไกลจากการใช้งานจริง

แม้ผลการทดลองจะเป็นก้าวสำคัญ แต่ระบบยังอยู่ในระดับพิสูจน์แนวคิด และมีข้อจำกัดหลายประการ

• อัตราการสร้างโฟตอนคู่ยังต่ำมาก: ระบบที่ใช้แสงอาทิตย์สร้างคู่โฟตอนได้ประมาณ 1.5 คู่ต่อวินาที ขณะที่ระบบที่ใช้เลเซอร์ในห้องปฏิบัติการอาจสร้างได้หลายล้านคู่ต่อวินาที
• ขึ้นอยู่กับสภาพอากาศและช่วงเวลา: การทดลองดำเนินการในวันที่ท้องฟ้าแจ่มใสช่วงเที่ยง เมฆ การกระเจิงในบรรยากาศ และตำแหน่งของดวงอาทิตย์ล้วนส่งผลต่อประสิทธิภาพ ทำให้ระบบบนพื้นโลกไม่สามารถทำงานต่อเนื่องได้
• อุปกรณ์รวมแสงยังมีขนาดใหญ่: เลนส์เฟรเนลพื้นที่ 1.4 ตารางเมตรและตัวรวมแสงรูปกรวยยังไม่เหมาะกับการติดตั้งภาคสนามหรือบนอวกาศ หากยังไม่สามารถย่อขนาดและเพิ่มความทนทานได้
• ใช้ประโยชน์จากสเปกตรัมแสงอาทิตย์ได้เพียงบางส่วน: ผลึกไม่เชิงเส้นจะทำงานได้เหมาะสมกับช่วงความถี่แคบ ๆ ของแสงอาทิตย์เท่านั้น พลังงานส่วนใหญ่ที่รวบรวมมาจึงไม่ได้ถูกนำไปใช้
• ยังต้องปรับปรุงอีกมาก: ก่อนจะนำไปใช้งานจริง จำเป็นต้องเพิ่มประสิทธิภาพ ความเสถียร และความสามารถในการย่อขนาดของระบบ

ดังนั้น ผลงานนี้ยังไม่ใช่การแทนที่เลเซอร์ในอุปกรณ์ควอนตัมทันที แต่เป็นหลักฐานสำคัญว่าแหล่งกำเนิดแสงที่ดูวุ่นวายอย่างแสงอาทิตย์ก็สามารถสนับสนุนปรากฏการณ์ควอนตัมที่ละเอียดอ่อนได้ และอาจเปิดทางสู่ระบบควอนตัมที่ใช้พลังงานน้อยลงในอนาคต