In una mossa che delizierà sicuramente gli ambientalisti e confonderà chiunque ricordi la lezione di fisica, i ricercatori hanno dimostrato che la semplice luce del sole può generare entanglement quantistico - un fenomeno precedentemente ritenuto richiedere lo sforzo coerente e focalizzato di un laser ben sintonizzato. Perché usare un laser preciso e assetato di energia quando puoi semplicemente... aprire le tende?

I risultati, pubblicati su Optica, mostrano che la luce del sole può produrre entanglement paragonabile alle tecniche basate su laser, a condizione di tenere conto delle differenze di larghezza di banda. Il lavoro è una collaborazione tra il gruppo di Robert Boyd all'Università di Ottawa e il team di Hanieh Fattahi all'Istituto Max Planck per la Scienza della Luce (MPL) in Germania. Perché a quanto pare, la cooperazione internazionale è necessaria anche per sfruttare il potere del sole.

"L'entanglement quantistico è cruciale per applicazioni come la comunicazione sicura, il rilevamento ultra-preciso e il calcolo ad alte prestazioni", ha detto Cheng Li, un recente laureato dell'Università di Ottawa e primo autore dell'articolo. "Il nostro lavoro mostra che le abbondanti fonti di luce naturale possono essere utilizzate per l'entanglement quantistico, aprendo la possibilità di tecnologie quantistiche più efficienti dal punto di vista energetico e accessibili."

In altre parole, il tuo futuro computer quantistico potrebbe essere alimentato dalla stessa cosa che ti fa venire le scottature. Li ha anche notato che "questa tecnologia potrebbe un giorno consentire ai satelliti di creare chiavi di crittografia sicure usando la luce solare già abbondante nello spazio, riducendo la necessità di laser a bordo e gran parte dell'hardware di supporto". Perché portare un laser nello spazio quando il sole è lì, che fa le sue cose?

Il team ha sfidato la convinzione di lunga data che l'entanglement quantistico richieda luce coerente - il tipo in cui le onde sono sincronizzate e prevedibili, come un laser. Lavori precedenti del gruppo di Boyd avevano già mostrato che un LED, una sorgente di luce incoerente, poteva produrre fotoni entangled in polarizzazione. Ora hanno fatto un salto di qualità con la luce del sole, che è ancora più caotica, si diffonde in tutte le direzioni e sfoggia un intero arcobaleno di colori.

Per domare questo caos, i ricercatori hanno usato la conversione parametrica spontanea verso il basso (SPDC), un processo in cui un fascio di pompa entra in un cristallo non lineare e divide i fotoni in coppie entangled. Invece di una pompa laser, hanno usato luce solare fortemente polarizzata, che rimaneva altamente incoerente nello spazio e nel tempo ma oscillava in una direzione costante. "Abbiamo progettato il nostro setup sperimentale in modo che le differenze introdotte dai diversi colori e direzioni di propagazione non influenzassero la polarizzazione dei fotoni", ha spiegato Li. "Come prevede la nostra teoria, se l'entanglement vive solo nella polarizzazione, allora dovrebbe dipendere solo dall'ordine della pompa nella sua direzione di oscillazione e non dalla sua direzione o colore."

Ma c'era un intoppo: il cristallo non lineare è grande solo circa un millimetro, quindi avevano bisogno di concentrare la luce solare. Il team di Fattahi all'MPL ha costruito un concentratore solare tutto in vetro che usa una lente di Fresnel delle dimensioni di una finestra domestica per incanalare la luce solare in una fibra ottica larga circa come un capello umano, per poi dirigerla sul minuscolo cristallo. Perché niente dice "ottica quantistica" come un setup che assomiglia a una lente d'ingrandimento gigante.

Gli esperimenti all'aperto all'MPL hanno confermato la teoria: la tomografia dello stato quantistico ha mostrato che l'entanglement prodotto dalla luce solare era simile per circa il 94% a uno stato perfettamente entangled, e i fotoni violavano la disuguaglianza di Bell, dimostrando che erano genuinamente entangled e non solo un malinteso classico.

Il team sta ora lavorando per aumentare la luminosità e migliorare la qualità dell'entanglement, con la speranza di portare il sistema fuori dal laboratorio. Suggeriscono anche che l'approccio potrebbe funzionare con altre tecniche ottiche non lineari come il mixing a quattro onde, aprendo potenzialmente nuove porte nella fotonica quantistica.

Naturalmente, la comunità scientifica aveva i suoi dubbi. "Dall'inizio di questo progetto, la nostra idea ha incontrato ripetuti dubbi e resistenze", ha detto Li. "Alcuni rinomati esperti mondiali..."