Квантовая «призрачная» визуализация впервые осуществлена с помощью солнечного света

Коррелированные пары фотонов, генерируемые с помощью спонтанного параметрического рассеяния, накачиваемого солнечным светом, в нелинейном кристалле, демонстрируют «призрачную» визуализацию. Credit: W. Zhang (Xiamen University)

Ученые из Сямэньского университета (Китай) впервые успешно продемонстрировали квантовую «призрачную» визуализацию, используя в качестве источника коррелированных фотонов только солнечный свет. Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Advanced Photonics, открывают путь к созданию полностью пассивных квантовых систем, способных работать в удаленных местах и даже в космосе.

Ключевым процессом, лежащим в основе эксперимента, является спонтанное параметрическое рассеяние (SPDC). Обычно для этого требуются мощные и стабильные лазеры. Однако команда под руководством Вухонга Чжана и Лисяна Чена доказала, что даже нестабильный солнечный свет способен запустить этот процесс.

Для решения проблемы нестабильности солнечного света исследователи разработали автоматическую систему слежения за солнцем, напоминающую экваториальную монтировку телескопа. Она непрерывно направляет солнечный свет в 20-метровое пластиковое оптоволокно, которое передает его в темную лабораторию для накачки нелинейного кристалла (PPKTP).

Несмотря на постоянные колебания яркости и направления солнечного света, установка успешно генерировала пары фотонов с сильной пространственной корреляцией. Для проверки системы ученые использовали технику «призрачной» визуализации, где изображение восстанавливается не прямым детектированием, а с помощью коррелированных фотонов.

Система на солнечной энергии достигла видимости «призрачного» изображения в 90,7%, что лишь незначительно уступает показателю в 95,5%, полученному при использовании стандартного 405-нм лазера с той же мощностью накачки. Помимо простых тестов, исследователи успешно восстановили более сложное двумерное изображение — «призрачное лицо».

По словам ученых, широкий спектр солнечного света помогает поддерживать квазифазовый синхронизм в кристалле, позволяя создавать большое количество коррелированных пар фотонов. Сбор данных в течение длительного времени позволил улучшить соотношение сигнал/шум, доказав стабильность системы, несмотря на естественные флуктуации солнечного света.

Этот эксперимент знаменует собой первую успешную демонстрацию SPDC с накачкой от солнца в сочетании с «призрачной» визуализацией. Устранив необходимость в лазерах и внешнем электропитании, система создает полностью пассивный источник коррелированных фотонов. Исследователи полагают, что технология может оказаться особенно полезной для будущих квантовых систем визуализации и передачи информации, используемых в удаленных средах или космических приложениях. Дальнейшее совершенствование методов сбора солнечного света, инженерии кристаллов и алгоритмов реконструкции изображений, включая сжатое зондирование и машинное обучение, может еще больше улучшить качество и скорость визуализации.