W posunięciu, które z pewnością zachwyci ekologów i wprawi w zakłopotanie każdego, kto pamięta lekcje fizyki, naukowcy wykazali, że zwykłe światło słoneczne może generować splątanie kwantowe – zjawisko wcześniej uważane za wymagające spójnego, skupionego wysiłku dobrze wyregulowanego lasera. Bo po co używać precyzyjnego, energochłonnego lasera, skoro można po prostu... otworzyć żaluzje?
Wyniki badań opublikowane w czasopiśmie Optica pokazują, że światło słoneczne może wytwarzać splątanie porównywalne z technikami laserowymi, pod warunkiem uwzględnienia różnic w szerokości pasma. Praca jest owocem współpracy grupy Roberta Boyda z Uniwersytetu w Ottawie oraz zespołu Hanieh Fattahi z Instytutu Nauki o Świetle im. Maxa Plancka (MPL) w Niemczech. Bo najwyraźniej do wykorzystania mocy słońca potrzebna jest również współpraca międzynarodowa.
„Splątanie kwantowe ma kluczowe znaczenie dla zastosowań takich jak bezpieczna komunikacja, ultraprecyzyjne czujniki i obliczenia o wysokiej wydajności” – powiedział Cheng Li, niedawny absolwent Uniwersytetu w Ottawie i pierwszy autor artykułu. „Nasza praca pokazuje, że obfite naturalne źródła światła mogą być wykorzystywane do splątania kwantowego, otwierając możliwość bardziej energooszczędnych i dostępnych technologii kwantowych”.
Innymi słowy, twój przyszły komputer kwantowy może być zasilany tym samym, co powoduje oparzenia słoneczne. Li zauważył również, że „ta technologia może kiedyś umożliwić satelitom tworzenie bezpiecznych kluczy szyfrujących przy użyciu światła słonecznego, którego w kosmosie jest pod dostatkiem, co zmniejszy potrzebę stosowania laserów pokładowych i dużej części sprzętu pomocniczego”. Bo po co zabierać laser w kosmos, skoro słońce jest tam tuż obok i robi swoje?
Zespół zakwestionował długo utrzymywane założenie, że splątanie kwantowe wymaga światła spójnego – takiego, w którym fale są zsynchronizowane i przewidywalne, jak w laserze. Wcześniejsze prace zespołu Boyda wykazały już, że dioda LED, niespójne źródło światła, może wytwarzać fotony ze splątaniem polaryzacyjnym. Teraz przeszli na światło słoneczne, które jest jeszcze bardziej chaotyczne, rozchodzi się we wszystkich kierunkach i ma pełną gamę kolorów.
Aby okiełznać ten chaos, naukowcy wykorzystali spontaniczną parametryczną konwersję w dół (SPDC), proces, w którym wiązka pompująca wchodzi do kryształu nieliniowego i rozszczepia fotony na splątane pary. Zamiast lasera pompującego użyli silnie spolaryzowanego światła słonecznego, które pozostawało wysoce niespójne w czasie i przestrzeni, ale oscylowało w spójnym kierunku. „Zaprojektowaliśmy nasz układ eksperymentalny tak, aby różnice wprowadzane przez różne kolory i kierunki propagacji nie wpływały na polaryzację fotonów” – wyjaśnił Li. „Jak przewiduje nasza teoria, jeśli splątanie żyje tylko w polaryzacji, to powinno zależeć wyłącznie od uporządkowania pompy w kierunku oscylacji, a nie od jej kierunku czy koloru”.
Był jednak haczyk: kryształ nieliniowy ma tylko około milimetra średnicy, więc trzeba było skoncentrować światło słoneczne. Zespół Fattahi z MPL zbudował całoszklany koncentrator słoneczny, który wykorzystuje soczewkę Fresnela wielkości okna domowego, aby skupić światło słoneczne w światłowodzie o średnicy ludzkiego włosa, a następnie skierować je na maleńki kryształ. Bo nic nie mówi „optyka kwantowa” jak zestaw przypominający gigantyczne szkło powiększające.
Eksperymenty na zewnątrz w MPL potwierdziły teorię: tomografia stanu kwantowego wykazała, że splątanie wytworzone przez światło słoneczne jest w około 94% podobne do stanu idealnie splątanego, a fotony naruszały nierówność Bella, co dowodzi, że były naprawdę splątane, a nie tylko miały klasyczne nieporozumienie.
Zespół pracuje teraz nad zwiększeniem jasności i poprawą jakości splątania, z nadzieją na wyniesienie systemu z laboratorium. Sugerują również, że podejście to może działać z innymi nieliniowymi technikami optycznymi, takimi jak mieszanie czterofalowe, otwierając potencjalnie nowe drzwi w fotonice kwantowej.
Oczywiście społeczność naukowa miała wątpliwości. „Od początku tego projektu nasz pomysł spotykał się z powtarzającymi się wątpliwościami i sprzeciwem” – powiedział Li. „Niektórzy światowej sławy r