陽光直接產生量子糾纏：94% 保真度的重大突破，無需雷射

為何陽光曾被視為不可能

SPDC 過程是指一顆高能量光子在通過非線性晶體時，分裂成兩顆能量較低且相互糾纏的光子。過去學界認為這需要同調的雷射光，因為雷射能提供相位、方向與波長都高度匹配的光子。相比之下，陽光是非同調光：它的光子抵達時相位隨機、方向各異、波長範圍極廣。學界普遍相信這種隨機性會破壞任何量子關聯性。

扭轉局面的理論洞見

團隊證明了一個關鍵點：偏振糾纏並不需要泵浦光在空間或頻譜自由度上的同調性。 如果量子資訊是編碼在光子偏振（即光波振動的方向）上，那麼糾纏對於傳播方向和波長的隨機性具有極高的耐受性。真正重要的是泵浦光束在整個範圍內振盪方向的一致性 。這項洞見顯示，只要偏振自由度被保留下來，像陽光這種非同調、寬頻的自然光源，完全有能力作為 SPDC 的泵浦光。

工程挑戰：打造陽光聚光器

自然狀態下的陽光強度太低，無法驅動 SPDC，後者需要極高的輻照度集中在一個毫米大小的非線性晶體上。由 Hamed Fattahi 領導的 MPL 團隊設計了一套兩階段聚光系統：

• 一塊窗戶大小的菲涅耳透鏡（約 1.4 平方公尺的集光面積）從天空收集陽光 。
• 一個全玻璃錐形太陽能聚光器進一步壓縮收集來的光線，並將其耦合進一條多模光纖，最後將高度集中的光線傳送到微小的非線性晶體上 。

這套裝置將晶體上的輻照度提升了數個數量級，首次讓利用陽光進行 SPDC 成為可行。

為何這對量子技術至關重要

能源效率

量子實驗中使用的雷射相當耗電且效率不高。用隨處可得的陽光取代它們，能大幅降低量子糾纏光源的能源足跡，特別是當技術擴展至衛星或偏遠地區部署時 。

太空量子通訊

在太空軌道上，陽光充沛且不受天氣或大氣層損耗的影響。相較於衛星上必須搭載的雷射系統，以陽光為動力的糾纏光源將更簡單、更輕巧、也更節能。這使得實現更長時間的量子密鑰分發（QKD）鏈路成為可能，且無需使用高功率的機載雷射 。

目前的限制

• 光子對產生率極低： 該陽光驅動的光源每秒僅能產生約 1.5 對糾纏光子，而雷射系統每秒可產生數百萬對 。
• 依賴天氣與時間： 實驗在晴朗的中午進行。雲層、大氣散射以及太陽位置都會影響性能，因此地面系統無法全天候運作 。
• 集光設備過於笨重： 1.4 平方公尺的透鏡與聚光器組合過於龐大，若無進一步微型化，難以在野外或太空部署。
• 可用頻譜範圍狹窄： 非線性晶體僅能匹配太陽光譜中一小部分的相位，導致大部分收集到的能量被浪費 。
• 僅為原理驗證： 目前的實驗裝置離實際可部署的設備還很遙遠。在效率、穩定性和微型化方面，仍有大量工程問題需要攻克 。