Исследователи из Университета Оттавы в Канаде и Института науки о свете имени Макса Планка (MPL) в Германии показали, что солнечный свет способен создавать квантовую запутанность между фотонами. Работа опубликована в журнале Optica, издаваемом Optica Publishing Group. По словам учёных, это открывает путь к более энергоэффективным квантовым технологиям.
Квантовые системы традиционно требуют мощных лазеров, потребляющих много энергии. По мере роста масштабов таких технологий их энергозатраты становятся всё более серьёзной проблемой. Новое исследование демонстрирует, что вместо лазера можно использовать естественный свет. «Квантовая запутанность важна для защищённой связи, сверхточных сенсоров и высокопроизводительных вычислений, — приводит слова Чэна Ли, недавнего выпускника Университета Оттавы, SciTechDaily. — Наша работа показывает, что обильные природные источники света можно применять для квантовой запутанности, открывая возможность более энергоэффективных и доступных квантовых технологий».
Ранее считалось, что для запутанности фотонов необходим когерентный свет — синхронизированные волны с предсказуемым соотношением пиков и впадин, который дают лазеры. Однако команда Роберта Бойда теоретически предсказала и экспериментально подтвердила, что запутанность может возникать и при некогерентном свете: с помощью светодиода удалось получить фотоны с поляризационной запутанностью. Это доказало, что свету не обязательно быть упорядоченным во всех отношениях — фотоны могут двигаться в разных направлениях, но запутываться по другому признаку, например по поляризации.
В новой работе светодиод заменили солнечным светом, который распространяется во множестве направлений и содержит широкий набор цветов. Для генерации запутанности использовали спонтанное параметрическое рассеяние (SPDC) — оптический процесс с нелинейным кристаллом, при котором фотон накачки расщепляется на пару запутанных частиц. Вместо лазерного луча применили сильно поляризованный, но при этом пространственно и временно некогерентный солнечный свет. «Мы спроектировали установку так, чтобы различия, вносимые разными цветами и направлениями распространения, не влияли на поляризацию фотонов, — пояснил Ли. — Как и предсказывает наша теория, если запутанность существует только в поляризации, она должна зависеть лишь от упорядоченности колебаний накачки, а не от её направления или цвета. Это позволило получить высококачественную поляризационную запутанность из сильно некогерентного солнечного света».
Главной практической трудностью было сконцентрировать достаточно света на нелинейном кристалле размером всего несколько миллиметров. Команда Ханье Фаттахи в MPL создала полностью стеклянный солнечный концентратор. Конусообразное устройство собирает свет, уловленный линзой Френеля размером примерно с домашнее окно, и направляет его в оптическое волокно толщиной с человеческий волос, откуда концентрированный свет фокусируется на кристалле. В уличном эксперименте в MPL с помощью квантовой томографии состояния выяснили, что запутанность от солнечного света примерно на 94% соответствует идеально запутанному состоянию. Фотоны также показали корреляции, нарушающие неравенство Белла, — такие корреляции нельзя объяснить классической физикой, что подтверждает подлинную квантовую запутанность.
Теперь исследователи работают над системой, которую можно будет развернуть за пределами лаборатории: планируется повысить яркость установки и улучшить качество запутанности. Концепцию можно распространить и за пределы SPDC — другие нелинейно-оптические методы, включая четырёхволновое смешение, потенциально допускают похожие подходы. «С самого начала проект встречал неоднократные сомнения и сопротивление, — отметил Ли. — Некоторые всемирно известные специалисты в этой области даже спрашивали, можно ли вообще обнаружить какие-либо фотоны — не говоря уже о запутанных — в нелинейно-оптических процессах на солнечном свете. Однако мы доверяли своим расчётам, продолжали улучшать экспериментальную установку и в итоге показали, что это возможно».