Учёные впервые получили квантовую запутанность с помощью солнечного света

Учёные больше не считают лазеры обязательным условием для создания квантовой запутанности. Международная команда физиков продемонстрировала в лабораторном эксперименте, что естественный солнечный свет способен создавать пары квантово-запутанных фотонов.

Эксперимент показывает, что лазерный свет не является единственным источником, который можно использовать для получения квантовой запутанности. По мнению исследователей, открытие может привести к созданию более энергоэффективных и устойчивых квантовых технологий, которые в будущем смогут применяться как на Земле, так и в космосе.

Квантовые технологии, включая квантовые компьютеры, системы связи и сенсоры, используют необычные свойства квантовой механики, которые часто невозможно объяснить с помощью представлений классической физики. Обычно для создания квантовой запутанности применяются лазеры. Лазерный свет направляют на нелинейный кристалл, где фотоны в результате процесса, называемого спонтанным параметрическим рассеянием вниз, или SPDC, превращаются в пары запутанных фотонов.

До настоящего исследования использование солнечного света для получения квантовой запутанности считалось практически непригодным. Учёные исходили из того, что процесс SPDC в значительной степени зависит от стабильности фазы электромагнитного поля и поэтому требует высокой когерентности, характерной для лазерных лучей. Кроме того, считалось, что высокая интенсивность лазерного излучения необходима для протекания нелинейных процессов, которые приводят к возникновению запутанности.

Солнечный свет значительно слабее лазерного излучения и обладает гораздо меньшей когерентностью. Поэтому долгое время его практически не рассматривали как подходящий источник для генерации квантово-запутанных фотонов.

Однако исследователи пришли к выводу, что прежние представления могли быть связаны с недостаточным учётом различных характеристик когерентности света. Солнечный свет может обладать разной степенью когерентности в зависимости от конкретного параметра. Это означает, что даже при низкой когерентности по одним характеристикам свет может сохранять необходимую когерентность по другой характеристике, например поляризации, и при определённых условиях способен создавать квантовую запутанность.

«Пока падающий свет идеально поляризован, его пространственная или временная некогерентность не должна препятствовать созданию поляризационной запутанности», — заявил ведущий автор исследования Чэн Ли.

По словам учёного, ключом к использованию солнечного света является необходимость не допускать влияния различных степеней свободы света друг на друга во время процесса. При соблюдении этого условия солнечный свет способен создавать запутанные фотоны, если удаётся сконцентрировать достаточное количество солнечной энергии в нелинейном кристалле для запуска процесса SPDC.

Однако добиться необходимой концентрации солнечного света оказалось отдельной инженерной задачей. В естественных условиях солнечное излучение распространяется на большой площади и не остаётся узко сфокусированным, как луч лазера. Направить солнечный свет через нелинейный оптический кристалл шириной всего несколько миллиметров чрезвычайно сложно.

Чтобы решить эту проблему, исследователи создали специальную систему концентрации солнечного света. Она собирает излучение с поверхности площадью 1,4 квадратного метра и концентрирует его до размера, приблизительно соответствующего толщине человеческого волоса.

Используемый солнечный концентратор имеет не плоскую, а коническую форму и изготовлен из стекла. Когда солнечный свет многократно отражается от внутренней поверхности конструкции, направляясь к её узкому концу, он постепенно концентрируется и усиливается. После этого свет проходит через одно оптическое волокно и поступает в систему, где запускается процесс SPDC, приводящий к созданию квантово-запутанных фотонов.

Лабораторные испытания показали, что система, работающая на солнечном свете, продемонстрировала характеристики, сопоставимые с лазерной системой. Исследователи получили показатель точности квантовой запутанности на уровне 94 процентов. Эффективность самого процесса генерации запутанных фотонов также оказалась сопоставимой с результатами систем, использующих лазеры.

Полученные результаты ставят под сомнение прежнее предположение о том, что для эффективного протекания SPDC обязательно требуется высококогерентный лазерный свет. Эксперимент показал, что при правильной концентрации и контроле параметров солнечный свет способен выполнять ту же функцию.

У нового подхода есть и потенциальное энергетическое преимущество. При использовании лазера сначала необходимо преобразовать электрическую энергию в оптическое излучение. Солнечный свет уже является готовым источником оптической энергии, поэтому в будущем такая система потенциально сможет снизить сложность оборудования, уменьшить выделение тепла и сократить количество элементов, которые могут выйти из строя.

Особенно перспективным исследователи считают использование солнечного света для квантовых систем, работающих в космосе. Солнечное излучение является практически неисчерпаемым и надёжным источником энергии во многих космических условиях. Возможность непосредственно использовать его для генерации квантово-запутанных фотонов может позволить создавать более простые и устойчивые квантовые системы для спутников и будущих межпланетных и дальних космических миссий.

«Солнечный свет является распространённым и надёжным ресурсом во многих условиях, особенно в космосе. Возможность непосредственно генерировать квантово-запутанные фотоны из солнечного света может привести к созданию более простых и устойчивых квантовых систем для спутников и будущих миссий в дальний космос», — сказала соавтор исследования Хание Фаттахи.

По словам исследовательницы, эта работа может стимулировать новые исследования в области нелинейной и квантовой оптики. В дальнейшем полученные результаты могут способствовать тому, чтобы технологии, использующие солнечный свет для квантовых процессов, стали более практичными.

Таким образом, эксперимент показал, что естественный солнечный свет способен выступать источником квантовой запутанности при соблюдении необходимых условий. Учёным удалось сконцентрировать относительно слабое и некогерентное солнечное излучение до уровня, достаточного для запуска процесса генерации запутанных фотонов, а полученные характеристики оказались близки к результатам лазерных систем. В перспективе это может открыть путь к созданию квантовых устройств, которым не потребуется отдельный лазерный источник и сложная система преобразования электрической энергии в оптическую.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.