Міжнародна команда дослідників продемонструвала, що природне сонячне світло можна використовувати для генерації квантово-заплутаних фотонів. Експеримент став доказом працездатності підходу, який у майбутньому може зменшити залежність квантових систем від енергоємних лазерних джерел.
Чому сонячне світло вважали невідповідним
Для створення заплутаних фотонів зазвичай використовують лазери. Їхнє світло когерентне: хвилі мають упорядковані характеристики, що спрощує керування квантовим станом. Сонячне світло, навпаки, складається з багатьох кольорів і поширюється в різних напрямках, тому довгий час його вважали занадто невпорядкованим для такого експерименту.
Команда з Університету Оттави та Інституту науки про світло Макса Планка побудувала схему так, щоб просторові й спектральні відмінності сонячного випромінювання не руйнували заплутаність у поляризації фотонів.
Як проходив експеримент
Світло збирала лінза Френеля приблизно з побутове вікно. Далі конічний суцільноскляний концентратор спрямовував його в тонке оптичне волокно, після чого сонячне випромінювання фокусувалося на невеликому нелінійному кристалі.
У кристалі відбувалося спонтанне параметричне розсіяння вниз — SPDC. Під час цього процесу фотон накачування породжує пару фотонів нижчої енергії, які можуть перебувати у заплутаному квантовому стані. На відміну від звичайної схеми, джерелом накачування був не лазер, а поляризоване сонячне світло.
Результат підтвердили вимірюваннями
За допомогою томографії квантового стану дослідники визначили, що отриманий стан приблизно на 94% відповідав ідеально заплутаному. Кореляції між фотонами також порушували нерівність Белла, тобто не могли бути пояснені класичною фізикою.
Це був контрольований наземний експеримент, а не готова супутникова система. Команда ще має підвищити яскравість джерела та якість заплутаності, перш ніж технологію можна буде перетворити на польовий пристрій.
Можливе застосування в космосі
У перспективі супутники могли б використовувати доступне сонячне світло для створення заплутаних фотонів і формування захищених квантових ключів, зменшивши потребу в бортовому лазері та частині допоміжного обладнання. Однак генерація сигналу все одно потребуватиме систем наведення, детекторів, електроніки та живлення, тому називати майбутні апарати повністю енергонезалежними передчасно.
Інший важливий напрям квантового апаратного забезпечення розглянуто у новині про те, як Принстонський університет збільшив час когерентності трансмонних кубітів.