Физики впервые получили запутанные фотоны из солнечного света без лазеров и электричества

Исследователи впервые сумели получить поляризационно-запутанные фотонные пары, применив в роли источника накачки обыкновенный солнечный свет вместо лазерного излучения. Данное достижение опровергает устоявшееся мнение о том, что для создания квантовой запутанности обязательно требуется лазерная когерентность. Итоги научной работы обнародованы на страницах журнала Optica.

Обычно запутанные фотоны рождаются в ходе спонтанного параметрического рассеяния (SPDC): входящий фотон распадается в специальном нелинейном кристалле на пару взаимосвязанных частиц. Для этого задействуют мощные и стабильные лазеры, отличающиеся высоким энергопотреблением и ограниченным ресурсом работы, что особенно критично для космических миссий. Специалисты из Института науки о свете Общества Макса Планка (Эрланген, Германия) задались вопросом, можно ли обойтись естественным солнечным излучением, которое традиционно считалось слишком слабым и некогерентным для подобных целей.

Для улавливания и фокусировки солнечных лучей физики спроектировали оптический комплекс, объединивший линзу Френеля площадью 1,4 квадратного метра, набор спектральных фильтров и конический концентратор. Эта установка уплотняла световой поток и передавала его в тончайшее оптоволокно. Далее свет поступал в интерферометр Саньяка [устройство, расщепляющее световой пучок на два встречных потока для формирования замкнутого оптического контура], внутри которого размещался кристалл титанил-фосфата калия с периодической поляризацией [ppKTP — нелинейная среда, трансформирующая исходный фотон в пару новых].

Главной преградой выступала слабая когерентность солнечного света [дефицит строгой согласованности фаз и частот световых волн, характерный для лазеров]. Долгое время полагали, что хаотичная природа солнца не позволит инициировать процесс спонтанного параметрического рассеяния (SPDC — квантовый феномен распада высокоэнергетического фотона в нелинейном кристалле на пару запутанных частиц с меньшей энергией). Тем не менее, эксперимент доказал, что надлежащим образом сфокусированный солнечный поток вполне способен генерировать стабильные квантовые пары.

Проведенные замеры зарегистрировали высокий уровень квантовой корреляции: коэффициент конкорданса (мера степени запутанности, где единица означает абсолютный максимум) составил 0,905, в то время как точность приближения к эталонному состоянию Белла (теоретически предельный показатель для двухчастичной запутанности) достигла 0,939.

Неоспоримым подтверждением нелокальной квантовой природы рожденного света стало преодоление неравенства Белла-CHSH — зафиксированное значение в 2,54 уверенно превысило классический предел, равный двум и ограничивающий объекты классической физики.

Темп генерации составил порядка 1600 пар в секунду на каждый милливатт мощности накачки, что после нормировки по ширине спектральной полосы сопоставимо с показателями лазерных аналогов. Подобный источник задействован без промежуточного преобразования электроэнергии в свет, что минимизирует тепловые потери и устраняет основные потенциальные причины поломок.

Авторы подчеркивают, что качество запутанности солнчного света не уступает лазерному излучению, а незначительные отклонения обусловлены несовершенством оптических элементов, а не фундаментальными ограничениями метода. Разработанная технология уже сейчас открывает новые горизонты для квантовых коммуникаций на спутниках, находящихся на солнечно-синхронных орбитах, где отпадает необходимость в громоздких лазерах и дорогостоящих солнечных батареях. Более того, частично когерентные солнечные фотоны обладают потенциально большей стойкостью к атмосферным искажениям, что сулит перспективы для наземных линий квантовой связи.

Проведенное исследование наглядно показывает, что солнечная энергия способна напрямую служить источником квантовых состояний, сокращая энергозатраты и повышая автономность квантового оборудования в удаленных точках, вплоть до дальнего космоса. Дальнейшие планы команды включают уменьшение габаритов концентраторов, реализацию пассивного солнечного трекинга и расширение спектрального диапазона за счет вовлечения иных нелинейных эффектов.

Источник: iXBT