1071
Фізики перетворили звичайне сонячне світло на джерело квантової заплутаності, що раніше вважалося можливим лише за допомогою потужних лазерів. Як повідомляє ScienceDaily з посиланням на журнал Optica, вуличний експеримент показав, що пари фотонів, створені Сонцем, можуть бути заплутаними з подібністю до ідеального стану близько 94%.
Цей результат відкриває шлях до «зеленіших» і доступніших квантових технологій: простіших супутників для захищеного зв’язку, енергоефективних квантових комп’ютерів та нових методів квантової оптики.
Чому це руйнує старі уявлення про квантове світло
Більшість сучасних квантових пристроїв спираються на потужні лазери, які споживають багато електроенергії. Довгий час вважалося, що для створення достатньо сильних кореляцій між фотонами, необхідних для квантової заплутаності, потрібне саме когерентне світло, тобто таке, де хвилі йдуть синхронно і мають одну «фарбу».
Лазери дають саме таке високо когерентне випромінювання, тому стали стандартним інструментом у квантових експериментах. Однак попередні роботи групи Роберта Бойда (Robert Boyd) з Оттавського університету вже натякали, що це не єдиний шлях: вони теоретично передбачили, а потім показали експериментально, що навіть некогерентне світло, наприклад від світлодіода (LED), може породжувати заплутані фотони.
У тих дослідах дослідники отримали фотони з поляризаційною заплутаністю, використовуючи світлодіод як джерело світла. Важливий висновок полягав у тому, що світло може бути «хаотичним» за одним параметром, наприклад за напрямками поширення, але все одно створювати заплутаність в іншому параметрі — зокрема в поляризації.
Нове дослідження пішло ще далі: замість штучного джерела некогерентного світла вчені використали Сонце. Це значно складніше, адже сонячне випромінювання розходиться у багатьох напрямках і містить широкий спектр кольорів.
Як зі звичайного сонця отримали заплутані фотони
Команда застосувала добре відомий процес спонтанного параметричного даун-конвертування (SPDC). У ньому «насосний» промінь у нелінійному кристалі може перетворювати окремі фотони на пари фотонів, які часто виявляються квантово заплутаними.
Замість звичного для SPDC лазера дослідники подали на кристал сонячне світло. Його попередньо сильно поляризували, але воно залишалося високонекогерентним у просторі та часі: фотони різних кольорів рухалися у багатьох напрямках, проте загальне електромагнітне поле осцилювало переважно в одному напрямку.
За словами Чена Лі (Cheng Li) з Оттавського університету, ключем було так спроєктувати установку, щоб відмінності в кольорі та напрямах сонячних фотонів не впливали на їхню поляризацію. Теорія передбачала, що якщо заплутаність стосується лише поляризації, вона повинна визначатися впорядкованістю коливань поля, а не його кольором чи напрямом поширення.
Окрема проблема полягала в тому, щоб зібрати достатньо сонячного світла на кристал розміром лише близько міліметра. Звичайні способи фокусування виявилися недостатніми, тож група Ханіє Фаттахі (Hanieh Fattahi) з Інституту Макса Планка з науки про світло створила спеціальний скляний концентратор.
Конусоподібний пристрій з лінзою Френеля, приблизно розміром із домашнє вікно, збирає сонячне світло та спрямовує його в оптичне волокно товщиною з людську волосину. Уже з цього волокна сконцентрований потік світла надходить на крихітний нелінійний кристал, де й народжуються пари заплутаних фотонів.
Що показав експеримент із сонцем та кристалом
Польовий експеримент провели просто неба на території інституту MPL у Німеччині. Щоб дослідити створений квантовий стан, вчені застосували квантову томографію стану — метод, який дозволяє відновити повний опис квантового стану на основі вимірювань.
Аналіз показав, що одержана заплутаність дуже близька до ідеальної: квантовий стан, створений сонячним світлом, мав близько 94% подібності до досконало заплутаного стану. Крім того, було зафіксовано кореляції між фотонами, які порушують нерівність Белла. Це ключовий критерій: такі кореляції неможливо пояснити класичною фізикою, вони є переконливим свідченням справжньої квантової заплутаності.
Після демонстрації принципової можливості команда працює над тим, щоб зробити систему придатною для застосування поза лабораторією. Дослідники прагнуть підвищити яскравість (тобто кількість заплутаних пар) і ще більше покращити якість заплутаності.
Нинішній експеримент спирається на SPDC, але автори вказують, що той самий підхід можна поширити й на інші нелінійні оптичні процеси, наприклад чотирихвильове змішування. Це могло б відкрити нові можливості в квантовій фотоніці.
Можливі застосування і подоланий скепсис
Одна з найпривабливіших ідей — використовувати сонячне світло на супутниках для створення квантових ключів шифрування без необхідності встановлювати на борту потужні лазери та складну допоміжну апаратуру. Це потенційно спростить інфраструктуру квантового зв’язку й зменшить енергоспоживання.
Сонячно-дірована заплутаність може також стати енергоощадним елементом для масштабування квантових обчислень та надточної квантової сенсорики, де потрібні великі масиви заплутаних фотонів.
Разом з тим, ідея про те, що Сонце зможе ефективно запускати нелінійні квантові процеси, спершу викликала серйозний скепсис. Дехто з провідних фахівців не вірив, що взагалі вдасться зареєструвати якісь фотони від таких процесів, не кажучи вже про заплутані пари. Однак команда, за словами Чена Лі, покладалася на свої розрахунки і поетапно вдосконалювала установку, доки експеримент не дав позитивний результат.
Робота демонструє, що природне світло, яке нас оточує, може бути повноцінним ресурсом для квантових технологій. Якщо вдасться масштабувати цю концепцію, Сонце може стати не лише джерелом енергії для звичайної електроніки, а й «пальним» для майбутніх квантових мереж і обчислювальних систем.
Звичайне сонячне світло створює квантову заплутаність фотонів з’явилася спочатку на Цікавості.
