Сонячне світло породило квантову заплутаність без лазера

Чому раніше вважали, що без лазера це неможливо

У SPDC фотон із вищою енергією проходить через нелінійний кристал і перетворюється на два фотони з нижчою енергією. За певних умов ці фотони стають квантово заплутаними — їхні властивості залишаються пов’язаними навіть після розділення.

Традиційно для цього використовували лазер. Лазерне світло є когерентним: його фотони мають узгоджені фази, напрямки поширення та довжини хвиль. Сонячне світло, навпаки, є просторово розсіяним, широкосмуговим і хаотичним у часі. Вважалося, що така випадковість зруйнує потрібні квантові кореляції.

Вирішальна ідея: заплутаність можна «заховати» в поляризації

Теоретичний аналіз команди показав, що для поляризаційної заплутаності когерентність сонячного світла у просторовому та спектральному вимірах не є необхідною .

Поляризація описує напрямок, у якому коливається світлова хвиля. Якщо саме в цій властивості кодувати квантову інформацію, випадкові напрямки поширення та різні довжини хвиль сонячних фотонів не обов’язково знищують заплутаність. Критично важливо, щоб напрямок коливань залишався узгодженим.

Цей висновок змінив ключове припущення квантової оптики: джерелом для SPDC може бути не лише добре впорядкований лазер, а й природне широкосмугове світло — за умови правильної оптичної конфігурації.

Як сонячне світло сфокусували на кристалі

Самого сонячного світла недостатньо: воно надто розсіяне, а процес SPDC потребує дуже високої інтенсивності на кристалі розміром близько міліметра.

Команда MPL під керівництвом Хамеда Фаттахі створила двоступеневу систему концентрації:

• Лінза Френеля з площею збору приблизно 1,4 м² збирала пряме сонячне світло.
• Скляний концентратор конічної форми додатково стискав світловий потік.
• Потім концентроване випромінювання надходило в багатомодове оптичне волокно, яке доставляло його до крихітного нелінійного кристала .

Так вдалося збільшити інтенсивність на кристалі на кілька порядків і зробити сонячне живлення процесу SPDC експериментально можливим.

Що це може змінити в квантових технологіях

Менше енергії для джерел заплутаних фотонів

Лазери, які використовують у квантових експериментах, потребують електроенергії та додаткової апаратури. Сонячне світло є доступним природним джерелом, тому в майбутньому воно потенційно може зменшити енергоспоживання квантових джерел, особливо у віддалених системах і супутникових платформах .

Перспектива для супутникового квантового зв’язку

На орбіті сонячне випромінювання доступне протягом тривалих періодів і не залежить від хмарності чи атмосферного розсіювання так, як наземні установки. Теоретично сонячне джерело заплутаних фотонів могло б бути легшим, простішим і економнішим за лазерну систему на супутнику.

Серед можливих напрямів — квантовий розподіл ключів (QKD), у якому квантові властивості фотонів використовують для виявлення спроб перехоплення. Однак ідеться саме про потенційне майбутнє застосування, а не про готову супутникову технологію .

Що поки заважає практичному використанню

• Дуже низька швидкість генерації. Сонячна установка давала приблизно 1,5 заплутаної пари на секунду, тоді як лазерні системи можуть генерувати мільйони пар за секунду .
• Залежність від погоди та часу доби. Експеримент проводили за ясної погоди опівдні. Хмари, атмосферне розсіювання та положення Сонця впливають на результат, тому наземна система не може працювати безперервно .
• Громіздка оптика. Лінза площею 1,4 м² і конічний концентратор поки що надто великі для компактного польового чи космічного пристрою.
• Обмежений спектральний діапазон. Нелінійний кристал ефективно використовує лише вузьку частину сонячного спектра, тоді як більша частина зібраної енергії втрачається .
• Лише доказ концепції. Нинішня установка ще далека від готового пристрою. Потрібні подальші роботи над ефективністю, стабільністю, мініатюризацією та швидкістю генерації .

Отже, головний результат експерименту — не негайна заміна всіх лазерів сонячними панелями чи лінзами. Дослідники показали принципово важливе: хаотичність природного світла не виключає створення якісної квантової заплутаності, якщо правильно використати поляризацію. Це відкриває новий напрям для компактніших і менш енергоємних квантових джерел.