I ett drag som säkerligen kommer att glädja miljöaktivister och förvirra alla som minns fysiklektionerna, har forskare visat att vanligt solljus kan generera kvantförveckling – ett fenomen som tidigare ansågs kräva den koherenta, laserfokuserade insatsen från en väl inställd laser. För varför använda en precis, energikrävande laser när man bara kan... dra upp persiennerna?

Resultaten, publicerade i Optica, visar att solljus kan producera förveckling jämförbar med laserbaserade tekniker, förutsatt att man tar hänsyn till skillnaderna i bandbredd. Arbetet är ett samarbete mellan Robert Boyds grupp vid University of Ottawa och Hanieh Fattahis team vid Max Planck-institutet för ljusvetenskap (MPL) i Tyskland. För tydligen krävs det också internationellt samarbete för att utnyttja solens kraft.

”Kvantförveckling är avgörande för tillämpningar som säker kommunikation, ultrasensitiv avkänning och högpresterande beräkningar”, säger Cheng Li, en nyutexaminerad från University of Ottawa och försteförfattare till artikeln. ”Vårt arbete visar att rikliga naturliga ljuskällor kan användas för kvantförveckling, vilket öppnar möjligheten för mer energieffektiva och tillgängliga kvantteknologier.”

Med andra ord, din framtida kvantdator kan drivas av samma sak som ger dig solbränna. Li noterade också att ”denna teknik en dag skulle kunna göra det möjligt för satelliter att skapa säkra krypteringsnycklar med hjälp av solljus som redan finns i överflöd i rymden, vilket minskar behovet av lasrar ombord och mycket av den stödjande hårdvaran.” För varför ta med sig en laser ut i rymden när solen finns där och gör sitt?

Teamet utmanade den länge hållna antagandet att kvantförveckling kräver koherent ljus – den typ där vågor är synkroniserade och förutsägbara, som en laser. Tidigare arbete från Boyds team hade redan visat att en LED, en inkoherent ljuskälla, kunde producera polarisationsförvecklade fotoner. Nu har de uppgraderat till solljus, som är ännu mer kaotiskt, sprids i alla riktningar och har en hel regnbåge av färger.

För att tämja detta kaos använde forskarna spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC), en process där en pumpstråle går in i en olinjär kristall och delar fotoner i förvecklade par. Istället för en laserpump använde de starkt polariserat solljus, som förblev mycket inkoherent i rum och tid men oscillerade i en konsekvent riktning. ”Vi designade vår experimentella uppställning så att skillnader som introduceras av de olika färgerna och utbredningsriktningarna inte påverkade fotonernas polarisation”, förklarade Li. ”Som vår teori förutsäger, om förvecklingen bara lever i polarisationen, så borde den bara bero på pumpens ordning i dess oscillationsriktning och inte på dess riktning eller färg.”

Men det fanns en hake: den olinjära kristallen är bara ungefär en millimeter i diameter, så de behövde koncentrera solljuset. Fattahis team vid MPL byggde en helglas solkoncentrator som använder en Fresnel-lins i storleken av ett hushållsfönster för att leda solljus in i en optisk fiber ungefär lika bred som ett hårstrå, och sedan rikta det mot den lilla kristallen. För inget säger ”kvantoptik” som en uppställning som liknar ett jättelikt förstoringsglas.

Utomhusexperiment vid MPL bekräftade teorin: kvanttillståndstomografi visade att solljusproducerad förveckling var ungefär 94% lik ett perfekt förvecklat tillstånd, och fotonerna bröt Bells ojämlikhet, vilket bevisade att de var genuint förvecklade och inte bara hade en klassisk missuppfattning.

Teamet arbetar nu med att öka ljusstyrkan och förbättra förvecklingskvaliteten, med förhoppningar om att ta systemet ut ur labbet. De föreslår också att metoden skulle kunna fungera med andra olinjära optiska tekniker som fyrvågsblandning, vilket potentiellt öppnar nya dörrar inom kvantfotonik.

Naturligtvis hade det vetenskapliga samfundet sina tvivel. ”Sedan projektets början har vår idé mötts av upprepade tvivel och motstånd”, sa Li. ”Vissa världsberömda r