太陽光都可以造量子糾纏？94% 保真度突破顛覆傳統認知

點解以前覺得太陽光唔可能做到？

SPDC 嘅過程係：一粒高能量嘅光子，喺非線性晶體入面分裂成兩粒低能量嘅糾纏光子。以前科學家一直都認為，一定要用激光做泵浦，因為激光嘅光子有相同嘅相位、方向同波長。相反，太陽光係唔相干嘅：佢啲光子嘅相位亂咁嚟，方向又亂，光譜又好闊。學術界一直都假設，呢啲亂局會破壞晒任何量子關聯。

改變一切嘅理論洞察

呢個團隊證明咗一個好重要嘅道理：偏振糾纏根本唔需要泵浦光喺空間或光譜上有相干性。只要量子信息係編碼喺偏振——即係光波嘅震盪方向——嗰度，糾纏就唔會受傳播方向同波長嘅混亂影響。最重要嘅係，成束泵浦光嘅偏振方向要一致就得。呢個洞察打開咗大門：一個唔相干、闊頻譜嘅天然光源，好似太陽光咁，只要保住偏振呢個自由度，就可以用嚟泵浦 SPDC。

點樣工程上解決聚焦太陽光嘅難題？

自然強度嘅太陽光太散開，根本冇辦法驅動 SPDC，因為呢個過程需要喺一粒毫米級嘅非線性晶體上達到極高嘅輻照度。MPL 團隊由 Hamed Fattahi 領導，設計咗一個兩級聚光系統：

• 一塊窗戶咁大嘅菲涅爾透鏡（大約 1.4 平方米嘅集光面積）由天空收集太陽光。
• 一個全玻璃嘅錐形太陽能聚光器進一步壓縮收集到嘅光，再將佢耦合入一條多模光纖，最後將集中咗嘅光送到粒細細嘅非線性晶體。

呢個設計將輻照度提高咗幾個數量級，令太陽光泵浦嘅 SPDC 第一次變成可行。

呢個突破對量子科技有咩意義？

節省能源

量子實驗用嘅激光好食電，效率又低。如果用免費嘅太陽光代替，可以大幅降低量子糾纏光源嘅能源足跡，特別係如果將來擴展到衛星或者偏遠地區嘅部署。

太空量子通訊

喺軌道上，太陽光好充足，又唔受天氣或者大氣損耗影響。一個用太陽光泵浦嘅糾纏光源，會比用激光嘅系統更簡單、更輕、更節能，有可能實現更持久嘅量子密鑰分發（QKD）連線，唔使衛星帶住大功率嘅激光器。

目前嘅限制

• 產生率好低： 太陽光驅動嘅光源每秒大約只產生 1.5 對光子，比起激光系統每秒幾百萬對，差好遠。
• 依賴天氣同時間： 實驗係喺晴朗日子嘅正午進行。雲、大氣散射同太陽位置都會影響表現，所以地面系統冇可能 24 小時運作。
• 集光設備好大嚿： 嗰塊 1.4 平方米嘅菲涅爾透鏡加錐形聚光器，要實際落到現場或者太空用，唔再做細啲係唔得㗎。
• 可用光譜好窄： 太陽光譜入面得好窄一段可以同非線性晶體匹配相位，大部分收集到嘅能量都浪費咗。
• 只係原理驗證： 目前嘅裝置距離真正可以部署嘅設備仲有好遠。要提高效率、穩定性同做到小型化，仲有好多工程功夫要做。

總結

呢項研究由 Cheng Li（渥太華大學）同 Hamed Fattahi（MPL）帶領，喺德國埃爾朗根嘅 MPL 校園進行咗三日戶外實驗。佢哋嘅成果證明咗，天然光源可以用嚟產生量子糾纏，為未來更節能、更容易普及嘅量子技術打開咗可能性。