Учёные научились создавать квантовую запутанность с помощью солнечного света вместо лазеров

Учёные впервые использовали солнечный свет для генерации запутанных пар фотонов, что открывает возможность снизить зависимость квантовых технологий от энергоёмких лазеров.

Исследователи из Университета Оттавы и Института Макса Планка по науке о свете в Эрлангене применили сфокусированный солнечный свет для получения запутанных фотонов, необходимых для многих систем фотонных квантовых вычислений и квантовой связи.

Работа, опубликованная в журнале Optica, не утверждает, что солнечный свет способен полностью заменить лазерные источники. Такие системы остаются точнее и дают более сильные результаты. Однако исследование показывает, что свет для создания запутанных фотонов не обязательно должен исходить от лазера.

Запутанные фотоны представляют собой пары частиц света со связанными квантовыми свойствами. Измерение одной частицы может раскрыть информацию о соответствующем измерении другой, даже когда они разделены расстоянием. Это поведение делает запутанные фотоны полезными для квантового шифрования и других форм обработки квантовой информации.

Большинство систем создают такие пары через спонтанное параметрическое рассеяние. В этом процессе лазер проходит через специальный кристалл, порождая фотоны со скоррелированными квантовыми свойствами. Учёные предпочитали лазеры, так как они генерируют когерентный свет, у которого волны сохраняют постоянную фазу и обычно работают в узком диапазоне длин волн.

Солнечный свет некогерентен. Он содержит множество длин волн и достигает Земли с разных направлений, из-за чего казался маловероятным кандидатом для генерации запутанных фотонов.

Исследователи из Оттавы и Института Макса Планка ранее изучали этот вопрос в рамках теоретических работ и экспериментов со светодиодами. Их результаты предполагали, что некогерентный свет способен порождать запутанность, если соответствующее квантовое свойство не зависит от длины волны или направления света.

Для солнечного эксперимента исследователям потребовалось сконцентрировать свет достаточно плотно, чтобы направить его в маленький кристалл. Команда Ханиех Фаттахи в Институте Макса Планка построила стеклянный концентратор конической формы, который собирал свет от линзы Френеля размером с окно и направлял его в тонкое оптоволокно.

Команда тестировала систему на открытом воздухе в институте в течение трёх дней. Полученные пары фотонов достигли около 94% соответствия идеально запутанному состоянию.

Эксперимент также нарушил неравенство Белла – это тест, который помогает установить, действительно ли корреляции между частицами имеют квантовую природу, а не объясняются классической физикой.

Нарушение неравенства Белла оказалось ограниченным, что исследователи частично связали со слабым сезонным солнечным светом и проходящими облаками. Качество запутанности также не сравнялось с лучшими результатами лазерных систем.

Чэн Ли, который руководил исследованием в качестве аспиранта Университета Оттавы, а сейчас работает в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, сказал, что недостаток вероятнее всего вызван искажениями в оптических компонентах, а не самой природой солнечного света.

Учёные заставили атомы существовать в двух местах сразу и это приближает нас к "Теории всего"

Россия и Китай успешно протестировали квантовую связь через спутник на расстоянии 3800 км

Сейчас исследователи работают над повышением яркости источника и качества запутанности. Более совершенная система в перспективе могла бы применяться за пределами лаборатории, в том числе в удалённых местах или на спутниках.

Именно эта перспектива составляет часть привлекательности технологии. Лазерные системы требуют электричества, стабилизации и охлаждения, при этом значительная доля их энергии теряется в виде тепла. Источник, питаемый напрямую от солнечного света, мог бы устранить этап преобразования электрической энергии в оптическую.

Ли отметил, что спутниковые системы однажды смогли бы использовать доступный на орбите солнечный свет для производства ключей квантового шифрования. Идея пока далека от внедрения, но эксперимент указывает на иной подход к построению квантовой инфраструктуры.