Фізики створили квантово-заплутані фотони без лазера — за допомогою сонячного світла
Квантові технології звикли асоціювати з надточними лазерами, складними оптичними столами та контрольованими лабораторними умовами. Тепер фізики показали, що для створення квантово-заплутаних фотонів може підійти значно хаотичніше джерело — звичайне сонячне світло. Експеримент демонструє, що одна з ключових властивостей квантової фізики не обов'язково потребує когерентного лазерного променя як «насоса» оптичної системи.
Квантова заплутаність означає особливий зв'язок між частинками, за якого їхні вимірювані властивості не можна повністю описати незалежно одна від одної. На цій ідеї будуються перспективні системи захищеного зв'язку, квантові сенсори та частина архітектур квантових обчислень. Традиційно заплутані пари фотонів створюють за допомогою лазера, світло якого має дуже високу впорядкованість.
Сонце замість лазерного джерела
У новому експерименті дослідники використали процес спонтанного параметричного розсіювання вниз. У нелінійному кристалі фотон із вищою енергією може породити пару фотонів нижчої енергії, а за правильно підібраних умов їхні поляризації стають квантово заплутаними. Зазвичай кристал опромінюють стабільним лазером. Цього разу роль джерела виконав потік сонячного світла.
Завдання було непростим. Сонячне випромінювання має широкий спектр кольорів, приходить з багатьох напрямків і є значно менш когерентним, ніж лазер. Команда побудувала установку так, щоб ці відмінності не руйнували заплутаність у поляризації. Світло поляризували, після чого концентрували та спрямовували в маленький нелінійний кристал.
Для цього інженери застосували спеціальний суцільноскляний сонячний концентратор конічної форми. Велика лінза Френеля збирала світло з площі, порівнянної з домашнім вікном, а концентратор спрямовував його в оптичне волокно завтовшки приблизно з людську волосину. Уже звідти світло фокусувалося на кристалі, де й народжувалися пари фотонів.
Заплутаність витримала сувору перевірку
Після створення пар науковці провели квантову томографію стану. Отримана заплутаність приблизно на 94% відповідала ідеальному заплутаному стану. Крім того, кореляції між фотонами порушували нерівність Белла. Це принципово важлива перевірка: такі кореляції не можна пояснити звичайною класичною моделлю з прихованими локальними параметрами.
Практичне значення експерименту поки не варто перебільшувати. Сонячне джерело не означає, що завтра квантові комп'ютери відмовляться від лазерів. Команді ще потрібно збільшувати яскравість генерації та покращувати якість заплутаних станів. Проте доказ принципу відкриває новий напрямок — квантову фотоніку, яка може використовувати природні джерела світла.
Особливо цікавою є космічна перспектива. Супутники мають постійний доступ до інтенсивного сонячного випромінювання, тому в майбутньому частину обладнання для генерації квантових ключів потенційно можна буде спростити, зменшивши залежність від бортових лазерів та пов'язаної з ними енергетики. Якщо технологію вдасться зробити стабільною й компактною, сонячне світло з об'єкта повсякденного досвіду перетвориться на робочий ресурс квантових мереж.
