Солнечный свет впервые использовали для создания запутанных фотонов

Квантовая запутанность — одно из самых удивительных явлений в физике. В этом состоянии параметры частиц оказываются жестко связанными: если изменить, например, спин одного запутанного фотона, то у второго он мгновенно изменится противоположным образом, даже если частицы разделены огромным расстоянием. Именно это свойство лежит в основе квантовых вычислений, криптографии и других перспективных технологий.

До сих пор для получения запутанных частиц ученым требовались лазеры — устройства мощные, энергоемкие и дорогие. Это серьезно ограничивало масштабирование и доступность квантовых технологий. Однако коллектив исследователей решил проверить, можно ли обойтись более доступным и экологичным источником — солнечным светом.

Некогерентный свет тоже способен запутывать

Считалось, что для создания запутанности необходимо высококогерентное излучение, в котором волны синхронизированы и предсказуемо повторяют друг друга. Лазеры как раз дают такой свет. Но теоретические расчеты и предшествующие эксперименты группы Бойда показали: некогерентный свет, в котором волны хаотичны, тоже может создавать запутанность. В качестве доказательства концепции ученые использовали светодиоды. Новая работа пошла дальше.

В эксперименте оптики взяли поляризованный солнечный свет, обладающий низкой пространственно-временной когерентностью. Это значит, что различные составляющие светового потока заметно отличались по своим характеристикам, однако эти различия не отражались на поляризации фотонов. Такой подход позволил сохранить главное свойство, необходимое для запутывания.

Концентратор из стекла и нелинейный кристалл

Чтобы добиться достаточной интенсивности света для эксперимента, ученые создали специальный концентратор, полностью изготовленный из стекла. Внешне он напоминал коническое устройство, которое собирало свет, прошедший через линзу Френеля размером с оконное стекло, и фокусировало его в оптоволокно, ведущее к миллиметровому нелинейному оптическому кристаллу. Именно в кристалле происходил процесс спонтанного параметрического рассеяния: фотоны солнечного света расщеплялись на пары, которые затем становились запутанными.

Анализ показал, что полученная запутанность по своим характеристикам на 94 процента аналогична той, что дают лазерные установки, с поправкой на спектральные особенности солнечного излучения. Это очень высокий показатель, доказывающий жизнеспособность подхода.

Перспективы: от Земли до открытого космоса

По словам одного из авторов работы Ченга Ли, важнейший результат состоит в том, что для создания квантовой запутанности теперь достаточно широкодоступного ресурса — солнечного света. Технология открывает возможности для удешевления и распространения квантовых систем, а также для снижения их энергопотребления. Особенно перспективным направлением может стать космос, где солнечной энергии в избытке и нет необходимости поддерживать сложные лазерные системы.

Исследователи подчеркивают, что их работа — лишь первый шаг. Впереди — оптимизация установки, повышение эффективности и поиск новых применений. Однако уже сейчас ясно: квантовые технологии перестают быть прерогативой лабораторий с дорогостоящим оборудованием.

Статья об открытии опубликована в журнале Optica. В ней подробно описаны как устройство концентратора, так и параметры полученного квантового состояния.