Уникальные фотоны из солнечного света: прорыв без лазеров и электричества

Это открывает путь к полностью автономным квантовым спутникам в космосе

Физики впервые получили поляризационно-запутанные пары фотонов, используя в качестве источника накачки обычный солнечный свет, а не лазер. Это опровергает десятилетиями существовавшее убеждение, что когерентность лазерного излучения обязательна для генерации квантовой запутанности. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Optica.

Традиционно запутанные фотоны возникают в результате спонтанного параметрического рассеяния (SPDC): фотон накачки разделяется в нелинейном кристалле на два коррелированных фотона. Для этого требуются мощные и стабильные лазеры, которые потребляют много энергии и имеют ограниченный срок службы, особенно в космосе. Учёные из Института науки о свете Общества Макса Планка в Эрлангене (Германия) задумались, можно ли обойтись без лазера, используя естественное солнечное излучение, которое считается слишком некогерентным и слабым для таких задач.

Для сбора и концентрации солнечного света физики разработали оптическую систему на основе линзы Френеля площадью 1,4 квадратного метра, спектральных фильтров и конического концентратора. Эта установка сжимала солнечные лучи и направляла их в тонкое оптоволокно. Оттуда свет попадал в интерферометр Саньяка [прибор, разделяющий пучок света на два встречных луча для создания кольцевого оптического пути], внутри которого находился кристалл титанил-фосфата калия с периодической поляризацией [ppKTP — нелинейный материал, способный преобразовывать один входящий фотон в пару новых].

Главное препятствие заключалось в низкой когерентности солнечного света [отсутствии строгой согласованности световых волн по частоте и фазе, которая есть у лазеров]. Ранее считалось, что хаотичный солнечный свет не способен запустить процесс спонтанного параметрического рассеяния (SPDC — квантовое явление, при котором один высокоэнергетический фотон расщепляется в нелинейном кристалле на два запутанных фотона с меньшей энергией). Эксперимент показал, что сфокусированного солнечного потока достаточно для генерации устойчивых квантовых пар.

Измерения зафиксировали высокий уровень квантовой связи: показатель конкорданса (меры запутанности, где 1 означает идеальный максимум) составил 0,905, а точность соответствия эталонному состоянию Белла (теоретически максимальному уровню запутанности двух частиц) достигла 0,939.

Окончательным доказательством нелокальной квантовой природы полученного света стало нарушение неравенства Белла-CHSH — полученный показатель 2,54 уверенно превысил предельное значение 2, которое является абсолютным потолком для объектов классической физики.

Скорость генерации пар составила около 1600 пар в секунду на 1 милливатт мощности накачки, что после нормализации по спектральной полосе сопоставимо с лазерными источниками. Это первый случай, когда запутанный источник функционирует без активного преобразования электричества в свет, что исключает основные точки отказа и потери на тепло.

Авторы отмечают, что качество запутанности, полученное от солнечного света, не уступает лазерным источникам, а слегка заниженные показатели связаны с несовершенством оптических компонентов, а не с принципиальными ограничениями метода. Уже сейчас технология открывает перспективы для квантовой связи на спутниках на солнечно-синхронных орбитах, где не потребуются громоздкие лазерные системы и дорогие солнечные панели. Кроме того, частично когерентные фотоны от солнца потенциально более устойчивы к атмосферной турбулентности, что делает их перспективными для наземных квантовых каналов связи.

Работа демонстрирует, что солнечный свет может стать непосредственным источником квантовых состояний, снижая энергопотребление и повышая автономность квантовых устройств в удалённых регионах, включая дальний космос. Дальнейшие шаги включают миниатюризацию концентраторов, пассивное слежение за солнцем и расширение диапазона длин волн за счёт других нелинейных процессов.