В шаге, который наверняка порадует экологов и смутит всех, кто помнит уроки физики, исследователи продемонстрировали, что обычный солнечный свет может генерировать квантовую запутанность — явление, которое ранее считалось требующим когерентного, сфокусированного усилия хорошо настроенного лазера. Зачем использовать точный, энергоемкий лазер, если можно просто... открыть шторы?

Результаты, опубликованные в Optica, показывают, что солнечный свет может создавать запутанность, сравнимую с лазерными методами, при условии учета различий в полосе пропускания. Работа является сотрудничеством между группой Роберта Бойда из Университета Оттавы и командой Ханиех Фаттахи из Института науки о свете Макса Планка (MPL) в Германии. Потому что, видимо, для использования силы солнца также требуется международное сотрудничество.

"Квантовая запутанность имеет решающее значение для таких приложений, как защищенная связь, сверхточное зондирование и высокопроизводительные вычисления", — сказал Ченг Ли, недавний выпускник Университета Оттавы и первый автор статьи. "Наша работа показывает, что обильные естественные источники света могут быть использованы для квантовой запутанности, открывая возможность более энергоэффективных и доступных квантовых технологий".

Другими словами, ваш будущий квантовый компьютер может питаться тем же, что вызывает солнечные ожоги. Ли также отметил, что "эта технология однажды может позволить спутникам создавать защищенные ключи шифрования, используя солнечный свет, уже изобилующий в космосе, уменьшая потребность в бортовых лазерах и значительной части вспомогательного оборудования". Потому что зачем брать лазер в космос, когда солнце прямо там, делает свое дело?

Команда бросила вызов давнему предположению, что квантовая запутанность требует когерентного света — такого, где волны синхронизированы и предсказуемы, как у лазера. Более ранние работы группы Бойда уже показали, что светодиод, некогерентный источник света, может производить поляризационно-запутанные фотоны. Теперь они перешли на солнечный свет, который еще более хаотичен, распространяется во всех направлениях и имеет полный спектр цветов.

Чтобы справиться с этим хаосом, исследователи использовали спонтанное параметрическое рассеяние вниз (SPDC), процесс, при котором накачивающий пучок входит в нелинейный кристалл и расщепляет фотоны на запутанные пары. Вместо лазерной накачки они использовали сильно поляризованный солнечный свет, который оставался сильно некогерентным в пространстве и времени, но колебался в постоянном направлении. "Мы разработали нашу экспериментальную установку так, чтобы различия, вносимые разными цветами и направлениями распространения, не влияли на поляризацию фотонов", — объяснил Ли. "Как предсказывает наша теория, если запутанность живет только в поляризации, то она должна зависеть только от упорядоченности накачки в направлении ее колебаний, а не от ее направления или цвета".

Но была загвоздка: нелинейный кристалл имеет размер всего около миллиметра, поэтому им нужно было сконцентрировать солнечный свет. Команда Фаттахи в MPL построила цельностеклянный солнечный концентратор, который использует линзу Френеля размером с домашнее окно, чтобы направлять солнечный свет в оптическое волокно шириной примерно с человеческий волос, а затем направлять его на крошечный кристалл. Потому что ничто так не говорит о "квантовой оптике", как установка, напоминающая гигантскую лупу.

Эксперименты на открытом воздухе в MPL подтвердили теорию: квантовая томография состояния показала, что запутанность, созданная солнечным светом, примерно на 94% похожа на идеально запутанное состояние, а фотоны нарушали неравенство Белла, доказывая, что они действительно запутаны, а не просто имеют классическое недоразумение.

Команда сейчас работает над увеличением яркости и улучшением качества запутанности, надеясь вывести систему за пределы лаборатории. Они также предполагают, что подход может работать с другими нелинейными оптическими методами, такими как четырехволновое смешение, потенциально открывая новые двери в квантовой фотонике.

Конечно, научное сообщество сомневалось. "С момента начала этого проекта наша идея встречала неоднократные сомнения и сопротивление", — сказал Ли. "Некоторые всемирно известные исследователи говорили, что это невозможно, потому что солнечный свет некогерентен. Но мы показали, что при правильном подходе даже хаотичный свет может создавать упорядоченную квантовую связь".

Так что в следующий раз, когда вы будете наслаждаться солнечным днем, помните: вы купаетесь в потенциальной квантовой запутанности. И кто знает, может быть, однажды ваш ноутбук будет работать на солнечной энергии в буквальном смысле — не только для зарядки, но и для вычислений.