Znanstvenici dokazali: Sunčeva svjetlost može stvoriti kvantno spregnute fotone bez lasera

Međunarodni tim fizičara dokazao je da laseri više nisu jedini način za postizanje kvantne sprege (entanglement) fotona. U laboratorijskom eksperimentu znanstvenici su pokazali da se prirodna Sunčeva svjetlost može iskoristiti za proizvodnju parova kvantno spregnutih fotona, a istraživanje je objavljeno u znanstvenom časopisu Optica.

Otkriće je važno jer velika potrošnja energije predstavlja ozbiljnu prepreku širenju kvantnih tehnologija. U fotonskim kvantnim sustavima znatan dio energije troši se upravo na rad lasera, čija se visoka optička koherencija dugo smatrala nužnom za pripremu kvantnih stanja svjetlosti.

Istraživači su koristili proces spontanog parametarskog pretvaranja naniže (SPDC), potaknut Sunčevom svjetlošću, te uspješno detektirali polarizacijski spregnute parove fotona. Izmjereno generiranje fotonskih parova pokazalo se usporedivim s onim dobivenim SPDC procesom pokretanim laserom.

Voditelj istraživanja Cheng Li objasnio je da su ranija istraživanja vjerojatno prerano odbacila Sunčevu svjetlost jer nisu u potpunosti uzela u obzir različite dimenzije koherencije. Naglasio je da, sve dok je zraka savršeno polarizirana, njezina prostorna ili vremenska nekoherencija ne bi trebala spriječiti stvaranje polarizacijske spregnutosti.

Budući da se Sunčeva svjetlost u prirodi raspršuje po širokom području, njezino usmjeravanje u nelinearni optički kristal širine svega nekoliko milimetara predstavljalo je poseban izazov. Tim je stoga izradio konusni stakleni sustav koji prikuplja svjetlost s površine od 1,4 četvorna metra i fokusira je na širinu otprilike poput ljudske vlasi, pri čemu se svjetlost višekratno odbija unutar stošca prema vrhu prije nego što kroz optičko vlakno pokrene proces SPDC-a.

Laboratorijska ispitivanja pokazala su da sustav pokretan Sunčevom svjetlošću postiže performanse usporedive s laserskim sustavima, uz točnost od 94 posto.

Prema riječima Chenga Lija, ključ je u tome da se različiti stupnjevi slobode svjetlosti međusobno ne ometaju tijekom procesa. Sunčeva je svjetlost, kaže, sasvim sposobna stvoriti spregnute fotone, pod uvjetom da se dovoljna količina svjetlosti usmjeri u nelinearni kristal koji pokreće SPDC.

Suautorica studije Hanieh Fattahi istaknula je da je Sunčeva svjetlost obilan i pouzdan resurs u mnogim okruženjima, osobito u svemiru, te da bi mogućnost izravnog generiranja kvantno spregnutih fotona iz Sunčeve svjetlosti mogla omogućiti jednostavnije i otpornije kvantne sustave za satelite i buduće duboke svemirske misije, posebno u resursno ograničenim okruženjima poput arktičkih područja. Dodala je i da se nada da će ovaj rad potaknuti nova istraživanja u nelinearnoj i kvantnoj optici.