Благодаря недавно разработанному коническому солнечному концентратору ученые установили, что энергию дневного светила допустимо применять для генерации сложных фотонных состояний. В перспективе подобный подход даст возможность спутникам формировать защищенные шифровальные ключи, используя изобилующий в космосе солнечный свет. Фото: Флориан Стерл, отредактировано.
Многие современные квантовые системы опираются на мощные лазеры, потребляющие значительные объемы электроэнергии. С ростом масштабов таких устройств их энергетические затраты становятся все более ощутимой проблемой. Группа исследователей продемонстрировала яркую альтернативу: оказывается, сам солнечный свет способен порождать квантовую запутанность между фотонами.
«Квантовая запутанность играет ключевую роль в таких областях, как защищенная связь, сверхточные измерения и высокопроизводительные вычисления, — отметил Ченг Ли, недавний выпускник Университета Оттавы. — Наша работа доказывает, что естественный источник света может служить основой для запутанности, открывая перспективы создания более энергоэффективных и доступных квантовых технологий».
Результаты опубликованы в журнале Optica, принадлежащем издательской группе Optica Publishing Group. В статье показано, что солнечный свет способен вызывать запутанность, сопоставимую с лазерными методами, если учитывать потери падающего света. Это достижение базируется на теоретических изысканиях группы Роберта Бойда в Университете Оттавы и на новом солнечном концентраторе, созданном командой Ханье Фаттахи в Институте науки о свете Макса Планка (MPL) в Германии.
«Однажды эта технология может позволить спутникам создавать безопасные ключи шифрования с использованием солнечного света, которого уже много в космосе, что снижает потребность в бортовых лазерах и большей части вспомогательного оборудования, — пояснил Ли, первый автор статьи. — Генерация запутанности, управляемая солнечным светом, также может стать важнейшим компонентом платы для расширения квантовых вычислений без увеличения энергетической нагрузки».
Солнечный свет бросает вызов устоявшимся представлениям о квантовой запутанности
Смелые противника о квантовом свете
Ученые традиционно полагали, что для создания сильной корреляции, необходимой для запутывания фотонов, требуется когерентный свет. В таком свете волны синхронизированы, их пики и спады следуют предсказуемому рисунку. Лазеры обычно используются именно потому, что генерируют высококогерентное излучение, почти монохроматическое.
Однако более ранние эксперименты группы Бойда пошатнули это убеждение. Теоретически предположив, а затем экспериментально доказав, что некогерентный свет также способен создавать квантовую запутанность, исследователи использовали светодиод — источник некогерентного света — для получения фотонов, запутанных по поляризации.
Эти результаты заложили важные принципы: свет может быть неупорядочен по одной характеристике, например по направлениям распространения, и при этом порождать фотоны, запутанные по другой характеристике, такой как поляризация.
Новая работа развивает это явление, заменяя светодиоды солнечным светом. Солнечный свет представляет собой гораздо более сложную задачу, поскольку он распространяется во многих направлениях и содержит широкий спектр цветов.
Создание запутанных фотонов с помощью солнечного света
Для получения запутанных фотонов исследователи использовали спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты (SPDC). В этом установленном оптическом процессе лучи накачки попадают в нелинейный кристалл, где фотоны могут расщепляться на пары, которые могут стать квантово запутанными.
Вместо лазерного насоса команда снабжала систему солнечным светом. Солнечный свет был сильно поляризован, оставаясь при этом некогерентным как в пространстве, так и во времени. Его общий световой поток вращался в одном направлении, хотя он излучал фотоны разных цветов, следуя разным путям.
Ли добавил, что экспериментальная установка была спроектирована так, чтобы различия, связанные с цветом и направлением, не влияли на поляризацию фотонов.
твует только в поляризации, то она должна поддерживаться только от упорядоченности насоса в направлении его динамики, а не от его направления или цвета. Этот источник нам создает высокую поляризационную запутанность из-за пределов некогерентности в пространстве и времени солнечного света».
Получение достаточного количества солнечного света на чрезвычайно маленьком нелинейном кристалле создало еще одно серьезное открытие. Размер кристалла составляет всего около миллиметра, поэтому обычные методы сбора солнечного света непрактичны.
Команда Фаттахи из MPL решила эту проблему, разработав полностью стеклянный солнечный концентратор. Конусообразная система собирает солнечный свет с помощью линз Френеля размером примерно с домашнее окно и направляет его в оптическое волокно длиной примерно с волосы человека. Затем концентрированный солнечный свет можно направить на микроскопический нелинейный кристалл, ответственный за создание запутанных фотонов.
Солнечный свет создает сильную квантовую запутанность
Исследователи проверили свои теоретические предсказания, а также новый концентратор во время эксперимента в открытой атмосфере в MPL. Они использовали томографию квантовых состояний для анализа полученного квантового состояния и обнаружили, что запутанность, порождающая солнечный свет, примерно на 94% похожа на идеально запутанное состояние.
Команда также обнаружила, что фотоны быстро развиваются, которые нарушают символ Беллы. Этот результат особенно важен, поскольку такие результаты не могут быть рассмотрены классической физикой и вместо этого доказательства доказательства того, что была доказана настоящая квантовая запутанность.
После получения результатов эксперимента, подтверждающего принцип работы, исследователи сейчас работают над системой, которую в конечном итоге можно будет использовать в лаборатории. Их усилия направлены на повышение уровня доходов и дальнейшее улучшение качества перепутывания.
В эксперименте использовался SPDC, но исследователи говорят, что Конгрессий в его основе подходе может также работать и с другими нелинейными оптическими методами, включая четырехволновое колебание. Расширение этой концепции дополнительных методов может создать новые возможности в квантовой фотонике.
От скептицизма к рабочему эксперименту
Этот результат также вызвал серьезное беспокойство в научном сообществе в последнее время, может ли солнечный свет реально управлять этим процессом.
«С момента создания этого проекта наша идея постоянно вызывала сомнения и отпору», — сказал он. — сказал Ли. «Некоторые главные исследователи в этой области даже задавались вопросом, можно ли объяснить какие-либо фотоны — не говоря уже о запутанных фотонах — в результате нелинейных оптических процессов, вызванных солнечным светом. Как бы мы ни доверились нашему расчету, мы продолжаем совершенствовать экспериментальную установку и в конечном итоге, что это возможно».