In einem Schritt, der Umweltschützer sicherlich erfreuen und alle verwirren wird, die sich noch an den Physikunterricht erinnern, haben Forscher gezeigt, dass ganz normales Sonnenlicht Quantenverschränkung erzeugen kann – ein Phänomen, von dem man bisher annahm, dass es die kohärente, laserfokussierte Anstrengung eines gut eingestellten Lasers erfordert. Warum einen präzisen, energiehungrigen Laser verwenden, wenn man einfach die Jalousien öffnen kann?

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Optica, zeigen, dass Sonnenlicht eine Verschränkung erzeugen kann, die mit laserbasierten Techniken vergleichbar ist, vorausgesetzt man berücksichtigt die Bandbreitenunterschiede. Die Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen der Gruppe von Robert Boyd an der Universität von Ottawa und dem Team von Hanieh Fattahi am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) in Deutschland. Denn offenbar ist auch internationale Zusammenarbeit erforderlich, um die Kraft der Sonne zu nutzen.

„Quantenverschränkung ist entscheidend für Anwendungen wie sichere Kommunikation, ultrapräzise Sensorik und Hochleistungsrechnen“, sagte Cheng Li, ein frischgebackener Absolvent der Universität von Ottawa und Erstautor der Studie. „Unsere Arbeit zeigt, dass reichlich vorhandene natürliche Lichtquellen für Quantenverschränkung genutzt werden können, was die Möglichkeit energieeffizienterer und zugänglicherer Quantentechnologien eröffnet.“

Mit anderen Worten: Ihr zukünftiger Quantencomputer könnte mit demselben betrieben werden, das Ihnen einen Sonnenbrand beschert. Li merkte auch an, dass „diese Technologie eines Tages Satelliten ermöglichen könnte, sichere Verschlüsselungsschlüssel mit dem im Weltraum reichlich vorhandenen Sonnenlicht zu erzeugen, wodurch die Notwendigkeit von Bordlasern und vieler unterstützender Hardware reduziert wird.“ Warum einen Laser ins All mitnehmen, wenn die Sonne direkt da ist und ihr Ding macht?

Das Team stellte die lang gehegte Annahme in Frage, dass Quantenverschränkung kohärentes Licht erfordert – die Art, bei der Wellen synchronisiert und vorhersehbar sind, wie bei einem Laser. Frühere Arbeiten von Boyds Team hatten bereits gezeigt, dass eine LED, eine inkohärente Lichtquelle, polarisationsverschränkte Photonen erzeugen kann. Jetzt haben sie auf Sonnenlicht aufgerüstet, das noch chaotischer ist, in alle Richtungen strahlt und ein ganzes Farbspektrum bietet.

Um dieses Chaos zu bändigen, verwendeten die Forscher spontane parametrische Down-Conversion (SPDC), einen Prozess, bei dem ein Pumpstrahl in einen nichtlinearen Kristall eintritt und Photonen in verschränkte Paare aufspaltet. Statt eines Laserpumpstrahls verwendeten sie stark polarisiertes Sonnenlicht, das in Raum und Zeit hochgradig inkohärent blieb, aber in einer konsistenten Richtung oszillierte. „Wir haben unseren Versuchsaufbau so gestaltet, dass Unterschiede, die durch die verschiedenen Farben und Ausbreitungsrichtungen eingeführt werden, die Polarisation der Photonen nicht beeinflussen“, erklärte Li. „Wie unsere Theorie vorhersagt, sollte die Verschränkung, wenn sie nur in der Polarisation lebt, nur von der Ordnung des Pumpstrahls in seiner Oszillationsrichtung abhängen und nicht von seiner Richtung oder Farbe.“

Aber es gab einen Haken: Der nichtlineare Kristall ist nur etwa einen Millimeter breit, also mussten sie das Sonnenlicht konzentrieren. Fattahis Team am MPL baute einen Ganzglas-Solarkonzentrator, der eine Fresnel-Linse in der Größe eines Haushaltsfensters verwendet, um Sonnenlicht in eine optische Faser zu leiten, die etwa so breit ist wie ein menschliches Haar, und es dann auf den winzigen Kristall zu richten. Denn nichts sagt „Quantenoptik“ wie ein Aufbau, der an eine riesige Lupe erinnert.

Freilandexperimente am MPL bestätigten die Theorie: Die Quantenzustandstomographie zeigte, dass die durch Sonnenlicht erzeugte Verschränkung zu etwa 94 % einem perfekt verschränkten Zustand ähnelte, und die Photonen verletzten die Bell'sche Ungleichung, was bewies, dass sie wirklich verschränkt waren und nicht nur ein klassisches Missverständnis hatten.

Das Team arbeitet nun daran, die Helligkeit zu erhöhen und die Verschränkungsqualität zu verbessern, mit der Hoffnung, das System aus dem Labor zu holen. Sie schlagen auch vor, dass der Ansatz mit anderen nichtlinearen optischen Techniken wie der Vier-Wellen-Mischung funktionieren könnte, was möglicherweise neue Türen in der Quantenphotonik öffnet.

Natürlich hatte die wissenschaftliche Gemeinschaft ihre Zweifel. „Seit Beginn dieses Projekts ist unsere Idee auf wiederholte Zweifel und Widerstand gestoßen“, sagte Li. „Einige weltbekannte r