Канадские физики впервые продемонстрировали, что квантовая запутанность фотонов может возникать не только при использовании мощных лазеров, но и под действием обычного солнечного света. Это открытие может существенно снизить энергопотребление будущих квантовых технологий.
Современные квантовые исследования требуют двух основных условий: сверхнизких температур и высококогерентных лазерных источников. Оба этих фактора крайне энергозатратны, и по мере масштабирования систем их энергопотребление вызывает все больше опасений. Ученые ищут способы обойти эти ограничения — например, разрабатывают материалы с квантовыми свойствами при комнатной температуре. Но с лазерами ситуация сложнее: считалось, что для запутывания фотонов необходима именно когерентная синхронизация световых волн.
Группа под руководством Роберта Бойда решила проверить это утверждение. В предыдущей работе они уже показали, что запутанность можно получить даже с помощью обычных светодиодов — не когерентного, а некогерентного источника. Теперь они сделали следующий шаг и обратились к солнечному свету, который расходится во всех направлениях и содержит широкий спектр длин волн.
Обычно для получения запутанности используется процесс спонтанного параметрического преобразования: лазерный луч направляют на нелинейный кристалл, где фотоны расщепляются на пары и становятся запутанными. Но солнечный свет сильно поляризован и некогерентен как в пространстве, так и во времени. Ученые перестроили эксперимент так, чтобы различия в цветах и направлениях распространения не влияли на поляризацию фотонов. Как пояснил один из исследователей Чэн Ли, теория предсказывает: если запутанность живет только в поляризации, то она должна зависеть только от упорядоченности колебаний, а не от направления или цвета света. Это позволило получить качественную поляризационную запутанность из некогерентного солнечного излучения.
Главной технической сложностью стало фокусирование солнечного света на крошечный кристалл размером в несколько миллиметров. Для этого исследователи использовали солнечный концентратор, разработанный немецкими коллегами из Института науки о свете Макса Планка. Система с линзой Френеля собирает солнечные лучи и направляет их в оптоволоконный кабель толщиной не толще человеческого волоса.
В ходе экспериментов запутанность, полученная от солнечного света, оказалась на 94% близка к идеально запутанному состоянию. Сейчас команда работает над улучшением яркости и качества запутанности, чтобы создать полевые устройства. Как отмечают ученые, такая технология могла бы позволить спутникам генерировать ключи шифрования прямо на орбите, используя обильный солнечный свет и практически не нуждаясь в бортовых лазерах и сопутствующем оборудовании. Исследование открывает путь к более доступным и энергоэффективным квантовым коммуникациям.
Читать еще: Ученые нашли новый способ отправлять сообщения в прошлое