Міжнародна група дослідників з Університету Оттави (Канада) та Інституту науки про світло імені Макса Планка (Німеччина) здійснила важливий експериментальний крок у галузі квантової фізики. Науковцям вдалося використати звичайне сонячне світло для генерації пар заплутаних фотонів. Результати роботи, опубліковані в журналі Optica, демонструють потенційну можливість створення більш енергоефективної квантової інфраструктури без обов’язкового використання потужних лазерних систем.
Руйнування давнього припущення
Заплутані фотони — це пари частинок світла з пов’язаними квантовими станами. Вимірювання параметрів однієї з них миттєво дає інформацію про стан іншої, незалежно від відстані між ними. Ця властивість є основою для квантового шифрування, квантового обчислення та захищеної передачі даних.
Зазвичай квантові пари отримують за допомогою процедури спонтанного параметричного зниження частоти: лазерний промінь пропускають крізь спеціальний кристал. Фізики надавали перевагу лазерам, оскільки вони випромінюють когерентне світло зі сталою фазою та у вузькому діапазоні довжин хвиль.
На противагу лазерам, сонячне світло є абсолютно некогерентним: воно складається з різноманітних довжин хвиль і поширюється у багатьох напрямках. Тривалий час вважалося, що воно непридатне для створення квантової заплутаності. Проте попередні теоретичні розрахунки та тести зі світлодіодами дали підстави вважати, що це можливо, якщо квантова властивість не залежить від довжини хвилі або напрямку світла.
Лабораторія під відкритим небом
Щоб перевірити гіпотезу на практиці, вчені створили спеціальну оптичну систему. Промені Сонця фокусували за допомогою лінзи Френеля розміром з вікно та спрямовували через скляний конусоподібний концентратор у тонке оптичне волокно, а далі — у кристал.
Експеримент тривав три дні на відкритому повітрі. Отримані пари фотонів досягли близько 94 % точності відтворення ідеально заплутаного стану. Також вчені зафіксували порушення нерівності Белла, що остаточно підтвердило квантову природу спостережуваних кореляцій, які неможливо пояснити законами класичної фізики.
Незважаючи на те, що якість заплутаності дещо поступалася лазерним аналогам через спотворення в оптиці та мінливу хмарність, дослідники назвали результати успішним «доказом принципу».
Майбутнє супутникового квантового зв’язку
Наразі розробка знаходиться на ранньому етапі й не претендує на повну заміну лазерів у високоточних лабораторіях. Проте пряме використання сонячного світла має значні переваги.
Традиційні лазерні системи потребують суттєвих витрат електроенергії, постійного охолодження та стабілізації, втрачаючи більшість енергії у вигляді тепла. Перехід на сонячну енергію дозволить оминути етап конвертації електрики в оптичний промінь.
У майбутньому подібні компактні джерела зможуть функціонувати у віддалених куточках Землі або на космічних апаратах. Опинившись на орбіті, квантові супутники зможуть безпосередньо використовувати сонячне випромінювання для генерування та роздачі захищених квантових ключів шифрування по всій планеті.
Раніше ми повідомляли про можливість квантових комунікацій на міжзоряних відстанях.
За матеріалами Science Alert
