Современные квантовые технологии часто требуют мощных лазеров, а вместе с ними — заметных затрат энергии и дополнительного оборудования. Но теперь исследователи показали, что для одного из важнейших квантовых эффектов может подойти источник света, которого и так в избытке: Солнце.
Команда учёных смогла использовать солнечный свет для получения квантово-запутанных фотонов. Результаты опубликованы в журнале Optica.
Квантовая запутанность означает, что свойства двух частиц оказываются связаны особым образом. Этот эффект необходим для защищённой связи, сверхточных измерений и квантовых вычислений.
До сих пор для получения сильной запутанности обычно применяли лазеры. Они создают когерентный свет, в котором световые волны хорошо согласованы между собой и ведут себя предсказуемо.
Солнечный свет устроен совсем иначе. Он состоит из множества цветов, распространяется во множестве направлений и гораздо менее упорядочен. Поэтому долгое время считалось, что получить с его помощью качественную квантовую запутанность будет крайне трудно.
Однако предыдущие работы группы Роберта Бойда из Оттавского университета уже показали, что полная упорядоченность света необязательна. Исследователям удавалось получать запутанные фотоны даже при помощи светодиода.
Теперь они пошли дальше и заменили его солнечным светом.
Для эксперимента использовали процесс, при котором фотон, попадая в специальный нелинейный кристалл, может превратиться в пару фотонов. При подходящих условиях эти два фотона оказываются квантово запутанными.
Обычно кристалл освещают лазером. На этот раз источником стал солнечный свет.
При этом учёные сделали его сильно поляризованным: колебания светового поля были ориентированы преимущественно в одном направлении, хотя сами фотоны по-прежнему имели разные цвета и распространялись разными путями.
Экспериментальную установку устроили так, чтобы различия в цвете и направлении движения света не влияли на поляризацию фотонов. Именно в поляризации и должна была возникать квантовая связь.
Но появилась другая проблема: нелинейный кристалл имел размер всего около миллиметра. Обычным способом собрать на такой крошечной площади достаточно солнечного света было сложно.
Команда из Института науки о свете Общества Макса Планка разработала специальный полностью стеклянный солнечный концентратор. Конусообразная система собирала свет при помощи линзы Френеля размером примерно с домашнее окно и направляла его в оптическое волокно толщиной примерно с человеческий волос. Уже оттуда сконцентрированный свет попадал на кристалл.
Систему испытали на открытом воздухе.
Анализ показал, что полученное состояние примерно на 94% соответствовало идеально запутанному состоянию. Кроме того, фотоны продемонстрировали корреляции, нарушающие неравенство Белла — то есть такие, которые невозможно объяснить обычной классической физикой.
Это подтвердило, что солнечный свет действительно позволил получить квантовую запутанность, а не просто похожий на неё эффект.
Пока речь идёт о демонстрационном эксперименте. Теперь исследователи хотят увеличить яркость источника запутанных фотонов и ещё повысить качество получаемого состояния, чтобы в будущем система могла работать за пределами лаборатории.
Одна из возможных областей применения — спутники. Теоретически они могли бы использовать уже доступный в космосе солнечный свет для создания защищённых ключей шифрования, уменьшив потребность в бортовых лазерах и сопутствующем оборудовании.
Авторы также считают, что такой подход в перспективе может пригодиться при масштабировании квантовых вычислений без дополнительного увеличения энергопотребления.
Особенно примечательно, что в начале работы в возможность такого эксперимента верили далеко не все. По словам одного из авторов, некоторые известные специалисты сомневались даже в том, что при использовании солнечного света удастся зарегистрировать фотоны от этого процесса — не говоря уже о запутанных.
Но расчёты и последующие эксперименты показали обратное: для создания квантовой запутанности мощный лазер оказался не единственным возможным источником света.
