Впервые в истории получена квантовая запутанность, возникшая из солнечного света

Фото из открытых источников

Квантово-электронная запутанность — один из лучших трюков в волшебном ящике квантовой физики: две частицы, которые неразрывно связаны при измерении, — ключевой компонент потенциальных достижений в вычислительных, коммуникационных и сенсорных технологиях.

Учёные используют различные методы для создания запутанных частиц, часто с помощью частиц света (фотонов). Стандартный способ создания запутанных фотонов заключается в направлении высокоэнергетического лазера в специально сконструированный кристалл.

Это надежный и хорошо зарекомендовавший себя метод, который, однако, требует энергии и, конечно же, доступа к современному лазеру.

Теперь исследователи из Оттавского университета в Канаде и Института науки о свете имени Макса Планка в Германии сделали то, что некоторые считали невозможным: сгенерировали запутанные фотоны из солнечного света.

В своей работе, опубликованной в журнале Optica, команда утверждает, что это нововведение может привести к тому, что технология квантовой запутанности станет дешевле и проще в применении в условиях ограниченных ресурсов, от удаленных исследовательских станций до спутников на орбите.

«Наша работа показывает, что обильные естественные источники света могут быть использованы для квантовой запутанности, открывая возможности для создания более энергоэффективных и доступных квантовых технологий», — говорит физик Ченг Ли из Оттавского университета.

Исследователей воодушевили результаты более ранних экспериментов, показавших, что светодиодный свет может генерировать запутанные фотоны, что позволяет предположить, что некогерентный свет — свет, лишенный синхронности и однородности лазеров, — потенциально способен запускать этот процесс.

«Некоторые всемирно известные исследователи в этой области даже сомневались в возможности этого», – Ченг Ли.

Экспериментальная установка включала линзу Френеля размером с окно и воронку, которая концентрировала собранный солнечный свет в оптическом волокне толщиной с человеческий волос. Затем сфокусированный свет направляли на кристалл, чтобы осуществить собственно запутывание.

Чтобы разобраться с некогерентными (или «неоднородными») характеристиками солнечного света, включая его направление и длину волны, команда сосредоточилась на его поляризации: ориентации его колеблющегося электромагнитного поля.

За счет учета именно этой характеристики устройство гарантировало, что окружающая неразбериха света принципиально не препятствует поляризационной запутанности.

«Мы разработали экспериментальную установку таким образом, чтобы различия, обусловленные разными цветами и направлениями распространения, не влияли на поляризацию фотонов», — говорит Ли. «Как предсказывает наша теория, если запутанность существует только в поляризации, то она должна зависеть только от упорядоченности накачки в направлении её колебаний, а не от её направления или цвета. Это позволило нам получить высококачественную поляризационную запутанность из сильно пространственно и временно некогерентного солнечного света».

Созданные командой запутанные фотоны прошли несколько важных тестов в рамках квантовой физики.

Частицы были примерно на 94 процента похожи на идеально запутанное состояние и нарушали неравенство Белла — стандартный признак того, что их корреляции не могут быть объяснены классической физикой.

После образования запутанных фотонов они могут сохранять свою внутреннюю связь даже на огромных расстояниях. В принципе, это может означать, например, соединение гигантских телескопов или передачу данных, которые невозможно перехватить.

«В будущем эта технология позволит спутникам создавать надежные ключи шифрования, используя солнечный свет, которого и так предостаточно в космосе, что снизит потребность в бортовых лазерах и большей части вспомогательного оборудования», — говорит Ли. «Создание квантовой запутанности под воздействием солнечного света также может обеспечить важнейший компонент, необходимый для масштабирования квантовых вычислений без увеличения энергетической нагрузки».

Исследователи называют это «демонстрацией принципа действия»: у нас пока нет полностью работоспособного квантового запутывателя, работающего на солнечной энергии, который можно было бы транспортировать по всему миру или интегрировать в другие технологии.

Однако это многообещающий прорыв, поскольку представляет собой совершенно новый тип источника накачки для запутанных фотонов. По словам исследователей, качество запутанности можно дополнительно улучшить, как и яркость — по сути, скорость образования запутанных фотонов.

Это также еще одно доказательство того, насколько важна настойчивость в науке в квантовой области. Большие шаги вперед часто можно теоретически обдумать задолго до появления практических доказательств.

«Некоторые всемирно известные исследователи в этой области даже сомневались в возможности обнаружения каких-либо фотонов — не говоря уже о запутанных фотонах — возникающих в результате нелинейных оптических процессов, вызванных солнечным светом», — говорит Ли. «Мы доверились своим расчетам, продолжали совершенствовать экспериментальную установку и в конце концов показали, что это возможно».