In een zet die ongetwijfeld milieuactivisten zal verheugen en iedereen die zich natuurkundeles herinnert in verwarring zal brengen, hebben onderzoekers aangetoond dat gewoon zonlicht quantumverstrengeling kan genereren - een fenomeen waarvan eerder werd gedacht dat het de coherente, laser-gefocuste inspanning van een goed afgestelde laser vereiste. Want waarom zou je een precieze, energieverslindende laser gebruiken als je gewoon... de gordijnen open kunt doen?

De bevindingen, gepubliceerd in Optica, tonen aan dat zonlicht verstrengeling kan produceren die vergelijkbaar is met lasergebaseerde technieken, mits je rekening houdt met de bandbreedteverschillen. Het werk is een samenwerking tussen de groep van Robert Boyd aan de Universiteit van Ottawa en het team van Hanieh Fattahi aan het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van Licht (MPL) in Duitsland. Want blijkbaar is internationale samenwerking ook nodig om de kracht van de zon te benutten.

"Quantumverstrengeling is cruciaal voor toepassingen zoals veilige communicatie, uiterst nauwkeurige detectie en hoogwaardige berekeningen," zei Cheng Li, een recent afgestudeerde van de Universiteit van Ottawa en eerste auteur van het artikel. "Ons werk laat zien dat overvloedige natuurlijke lichtbronnen kunnen worden gebruikt voor quantumverstrengeling, wat de mogelijkheid opent voor energiezuinigere en toegankelijkere quantumtechnologieën."

Met andere woorden, je toekomstige quantumcomputer zou wel eens kunnen worden aangedreven door hetzelfde dat je een zonnebrand geeft. Li merkte ook op dat "deze technologie op een dag satellieten in staat zou kunnen stellen om veilige encryptiesleutels te creëren met behulp van het zonlicht dat al overvloedig in de ruimte aanwezig is, waardoor de behoefte aan lasers aan boord en veel van de ondersteunende hardware wordt verminderd." Want waarom zou je een laser de ruimte in slepen als de zon daar gewoon is, en zijn ding doet?

Het team daagde de lang gekoesterde aanname uit dat quantumverstrengeling coherent licht vereist - het soort waarbij golven gesynchroniseerd en voorspelbaar zijn, zoals een laser. Eerder werk van Boyd's team had al aangetoond dat een LED, een incoherente lichtbron, polarisatie-verstrengelde fotonen kon produceren. Nu zijn ze overgestapt op zonlicht, dat nog chaotischer is, in alle richtingen verspreidt en een complete regenboog aan kleuren heeft.

Om deze chaos te temmen, gebruikten de onderzoekers spontane parametrische down-conversie (SPDC), een proces waarbij een pompbundel een niet-lineair kristal binnengaat en fotonen splitst in verstrengelde paren. In plaats van een laserpomp gebruikten ze sterk gepolariseerd zonlicht, dat ruimtelijk en temporeel zeer incoherent bleef, maar in een consistente richting oscilleerde. "We hebben onze experimentele opstelling zo ontworpen dat verschillen die door de verschillende kleuren en voortplantingsrichtingen worden geïntroduceerd, de polarisatie van de fotonen niet beïnvloeden," legde Li uit. "Zoals onze theorie voorspelt, als de verstrengeling alleen in polarisatie zit, dan zou het alleen moeten afhangen van de ordelijkheid van de pomp in zijn oscillatierichting en niet van zijn richting of kleur."

Maar er was een addertje onder het gras: het niet-lineaire kristal is slechts ongeveer een millimeter breed, dus ze moesten het zonlicht concentreren. Fattahi's team bij MPL bouwde een volledig glazen zonconcentrator die een Fresnel-lens ter grootte van een huisraam gebruikt om zonlicht in een optische vezel te leiden die ongeveer zo breed is als een mensenhaar, en het vervolgens op het kleine kristal richt. Want niets zegt "quantumoptica" als een opstelling die lijkt op een reusachtig vergrootglas.

Buiteneexperimenten bij MPL bevestigden de theorie: quantumtoestandstomografie toonde aan dat de door zonlicht geproduceerde verstrengeling ongeveer 94% vergelijkbaar was met een perfect verstrengelde toestand, en de fotonen schonden de ongelijkheid van Bell, wat bewijst dat ze echt verstrengeld waren en niet slechts een klassiek misverstand hadden.

Het team werkt nu aan het verhogen van de helderheid en het verbeteren van de verstrengelingskwaliteit, met de hoop het systeem buiten het laboratorium te brengen. Ze suggereren ook dat de aanpak zou kunnen werken met andere niet-lineaire optische technieken zoals vier-golvenmenging, wat mogelijk nieuwe deuren opent in de quantumfotonica.

Natuurlijk had de wetenschappelijke gemeenschap haar twijfels. "Sinds het begin van dit project is ons idee herhaaldelijk met twijfel en tegenwerking ontvangen," zei Li. "Sommige wereldberoemde r