94%保真度！阳光成功产生量子纠缠，无需激光

为什么阳光曾被公认为不可能

SPDC过程通常指一个高能光子在非线性晶体内分裂成两个能量更低的纠缠光子。一直以来，科学界认为该过程必须使用激光，因为激光提供的光子在相位、方向和波长上高度一致。而阳光是“非相干”的：它的光子以随机的相位、来自随机的方向、覆盖极宽的频谱到达。学界普遍认为，这种随机性会彻底破坏任何量子关联。

改变一切的物理洞察

研究团队证明了一个关键点：偏振纠缠并不依赖于泵浦光在空间或光谱维度上的相干性。 如果量子信息被编码在光子的偏振——即光波振荡的方向上——那么纠缠对于传播方向和波长的随机性具有很强的鲁棒性。真正重要的，仅仅是整个泵浦光束中光波振荡方向的一致性 。这一洞见表明：只要偏振自由度得到保留，像阳光这种非相干、宽带的自然光源完全可以作为SPDC的泵浦源。

工程挑战：如何让阳光“听话”

自然强度的阳光过于弥散，根本无法驱动SPDC——这个过程需要极高的辐照度聚焦在毫米大小的非线性晶体上。由Hamed Fattahi领衔的MPL团队，设计了一套两级聚光系统：

• 一块窗户大小的菲涅耳透镜（约1.4平方米的采光面积），从天空收集阳光 。
• 一个全玻璃锥形太阳能聚光器，对收集到的光进行进一步压缩，并将其耦合进一根多模光纤，最终将浓缩后的阳光引导至微小的非线性晶体 。

这套装置将晶体上的辐照度提升了数个数量级，使阳光驱动的SPDC首次成为现实。

为什么这对量子技术意义重大

降低能耗

量子实验中使用的激光器功耗高、效率低。用免费可得的阳光替代它们，能大幅降低量子纠缠光源的能源消耗，尤其是在卫星或远程部署场景中 。

太空量子通信

在轨道上，阳光充足且不受天气或大气衰减影响。太阳光驱动的纠缠源比卫星上基于激光的系统更简单、更轻便、更节能。它有望实现更长距离的量子密钥分发（QKD）链路，而无需搭载高功率机载激光器 。

当前的局限

• 产率很低： 阳光驱动的光源每秒仅产生约1.5对光子，而激光系统每秒可产生数百万对 。
• 依赖天气和时间： 实验仅在晴朗的正午进行。云层、大气散射和太阳位置都会影响性能，因此地面系统无法连续运行 。
• 聚光光学器件庞大： 1.4平方米的菲涅耳透镜加锥形聚光器，若不进一步小型化，很难用于野外或太空部署。
• 可用的光谱带很窄： 非线性晶体的相位匹配只覆盖太阳光谱中很小的一段，大部分收集到的能量被浪费掉了 。
• 仅限原理验证： 当前的装置距离可部署设备还很遥远，在提高效率、稳定性和小型化方面仍有大量工程工作要做 。