Учёные впервые получили квантовую запутанность непосредственно из солнечного света, показав, что для создания запутанных фотонов необязательно использовать дорогие лазеры. Эксперимент провели исследователи из Университета Оттавы и Института науки о свете Общества Макса Планка в Германии. Работа обещает появление более энергоэффективных фотонных квантовых технологий, поскольку традиционные системы генерации запутанных состояний требуют мощных лазеров.

В основе эксперимента лежал процесс спонтанного параметрического рассеяния света (SPDC), при котором фотон накачки в нелинейном кристалле превращается в пару фотонов с взаимосвязанными квантовыми состояниями (запутанностью). Традиционно в качестве источника накачки применяют когерентные лазеры, так как считалось, что высокая пространственная и временная когерентность необходима и обязательна для формирования запутанности. Обычный солнечный свет не когерентен и фотоны в нём хаотичны как по направлению, так и по длине волны. Найти в таком свете пару для запутывания — напрасный труд, считало большинство физиков.

Поставившие новый эксперимент физики отчасти с этим были согласны, но были уверены, что даже у фотонов некогерентного света можно найти нечто общее и это поляризация — сохранение определённого порядка колебаний электрического поля в выбранном направлении. И у них всё получилось.

Ключевым инженерным решением стала установка для концентрации рассеянного солнечного излучения до интенсивности, достаточной для работы с микроскопическим нелинейным кристаллом. Для этого команда создала стеклянный солнечный концентратор конической формы. Система собирала свет с площади около 1,4 м² через крупную линзу Френеля, затем направляла его в оптическое волокно толщиной примерно с человеческий волос и фокусировала на кристалл. Эксперимент на заднем дворе одного из кампусов проводился с системой слежения за Солнцем, которая гарантировала стабильное поступление потока света в оптический тракт.

Исследователи получили состояние фотонов с приближением около 94 % к идеальному запутанному состоянию, а измеренные корреляции нарушали неравенства Белла, что подтверждает их квантовую природу и невозможность объяснить явление классической физикой. В перспективе технология может найти применение в квантовой связи, например для спутниковых систем распределения ключей шифрования, где солнечный свет уже доступен в космосе и позволит уменьшить массу и энергопотребление оборудования за счёт отказа от лазеров накачки.

Также это открывает возможность для квантовых экспериментов вне лабораторий с дорогим оборудованием, что расширит вовлечённость в эту науку специалистов и даже любителей. Первые настольные компьютеры появились в гаражах. Почему бы там не появиться первым квантовым настольным компьютерам?

Источник:

Материалы по теме

Материалы по теме