Солнечный свет впервые использован для создания квантовой запутанности

Исследователи продемонстрировали, что обычный солнечный свет можно использовать для создания квантовой запутанности между фотонами — процесс, который ранее считался возможным только с помощью мощных лазеров. Это открытие может привести к созданию более энергоэффективных и доступных квантовых технологий, включая спутниковую связь с защищенным шифрованием.

«Квантовая запутанность имеет решающее значение для таких приложений, как безопасная связь, сверхточные сенсоры и высокопроизводительные вычисления, — говорит Чэн Ли, недавний выпускник Оттавского университета в Канаде. — Наша работа показывает, что для квантовой запутанности можно использовать обильные природные источники света, что открывает возможность создания более энергоэффективных и доступных квантовых технологий».

Результаты, опубликованные в журнале Optica, демонстрируют, что солнечный свет может производить запутанность, сопоставимую с лазерными методами, если учитывать различия в ширине полосы падающего света. В работе объединились теоретические исследования группы Роберта Бойда из Оттавского университета и новый солнечный концентратор, созданный командой Ханиех Фаттахи из Института науки о свете Макса Планка (MPL) в Германии.

«Эта технология однажды позволит спутникам создавать безопасные ключи шифрования, используя солнечный свет, который уже в изобилии присутствует в космосе, снижая потребность в бортовых лазерах и значительной части вспомогательного оборудования, — пояснил Ли, первый автор статьи. — Генерация запутанности на солнечном свете также может предоставить ключевой ингредиент для масштабирования квантовых вычислений без увеличения энергетической нагрузки».

Ученые традиционно считали, что для создания сильных корреляций, необходимых для запутанности фотонов, требуется когерентный свет, такой как лазерный. Однако более ранние исследования группы Бойда показали, что некогерентный свет (например, от светодиода) также может генерировать запутанность. Новая работа продвигает эту концепцию дальше, заменяя светодиод на солнечный свет, который распространяется во многих направлениях и содержит широкий спектр цветов.

Для генерации запутанных фотонов исследователи использовали процесс спонтанного параметрического рассеяния (SPDC), в котором фотоны накачки расщепляются в нелинейном кристалле на пары запутанных фотонов. Вместо обычного лазера команда использовала солнечный свет, который был сильно поляризован, оставаясь при этом некогерентным в пространстве и времени.

Серьезной проблемой стала фокусировка достаточного количества солнечного света на крошечном нелинейном кристалле размером около миллиметра. Команда Фаттахи решила эту задачу, создав цельностеклянный солнечный концентратор конической формы. Система собирает солнечный свет линзой Френеля размером с домашнее окно и направляет его в оптическое волокно толщиной с человеческий волос, которое затем фокусирует свет на кристалле.

В ходе уличного эксперимента в MPL исследователи проверили свои теоретические предсказания и новый концентратор. Квантовая томография показала, что запутанность, созданная солнечным светом, примерно на 94% соответствует идеально запутанному состоянию. Кроме того, фотоны демонстрировали корреляции, нарушающие неравенство Белла, что является неопровержимым доказательством подлинной квантовой запутанности, необъяснимой классической физикой.

Успешно завершив эксперимент, исследователи теперь работают над системой, пригодной для использования вне лаборатории, сосредоточившись на увеличении яркости и дальнейшем улучшении качества запутанности. Они также отмечают, что их подход может работать с другими нелинейными оптическими методами, такими как четырехволновое смешение, что открывает новые возможности в квантовой фотонике.

Примечательно, что проект с самого начала сталкивался со скептицизмом в научном сообществе. «С момента зарождения этого проекта наша идея неоднократно встречала сомнения и сопротивление, — рассказал Ли. — Некоторые всемирно известные исследователи в этой области даже сомневались, возможно ли вообще обнаружить какие-либо фотоны, не говоря уже о запутанных, в нелинейных оптических процессах, управляемых солнечным светом. Однако мы доверяли нашим расчетам, продолжали совершенствовать экспериментальную установку и в итоге показали, что это возможно».

Источники: sciencedaily.com, Optica