Учёные впервые создали квантовую запутанность из солнечного света — прорыв для квантовых технологий

Прорыв в квантовой оптике: солнечный свет как источник запутанности

Международная группа исследователей из Университета Оттавы (Канада) и Института науки о свете Общества Макса Планка (Германия) совершила исторический прорыв, опубликовав в журнале Optica результаты эксперимента по созданию квантовой запутанности непосредственно из солнечного света. До этого момента десятилетиями в физике считалось, что для получения запутанных фотонов необходим исключительно высококогерентный источник — мощный и стабильный лазер.

Почему это считалось невозможным

Лазеры создают упорядоченный поток света, где волны строго синхронизированы. Солнечный свет, напротив, абсолютно некогерентен: он состоит из самых разных длин волн (цветов), распространяется во все стороны хаотично и лишён привычного для лазеров порядка. Долгое время считалось невозможным найти в этом хаосе пары частиц, пригодные для квантовой связи и вычислений. Разрушение этой догмы открывает принципиально новые пути развития квантовых технологий.

Как устроен эксперимент

Учёные использовали метод спонтанного параметрического рассеяния (SPDC): спектрально отфильтрованный солнечный свет направили на специальный нелинейный кристалл из титанил-фосфата калия (KTP). Кристалл расщеплял падающие солнечные фотоны на пары новых, взаимно коррелированных частиц. Данный подход позволил извлечь из хаотичного солнечного излучения упорядоченные квантовые пары с высокой степенью чистоты состояния.

Результаты: 94% от идеального теоретического предела

Качество полученной квантовой запутанности (поляризационных состояний) составило 94% по сравнению с идеальными теоретическими параметрами. Это исключительно высокий показатель для источника, который не является лазером. Ранее эта же команда исследователей успешно экспериментировала с некогерентным светом светодиодов, но переход на солнечный свет — главный природный источник энергии — выводит технологию на совершенно новый уровень практической применимости.

От светодиодов к Солнцу: эволюция подхода

Работа с некогерентными источниками не началась вчера. Команда уже демонстрировала возможность создания запутанности на светодиодах, однако солнечный свет представляет собой бесплатный, повсеместно доступный и практически неисчерпаемый ресурс. Использование естественного излучения Солнца устраняет необходимость в любых искусственных генераторах света, что кардинально меняет экономику и логистику квантовых систем.

Перспективы: от космических коммуникаций к массовым сенсорам

Главные преимущества подхода лежат в трёх плоскостях. Первая — энергоэффективность: отпадает необходимость в громоздких, энергоёмких и капризных лазерных установках. Вторая — космические технологии: в условиях открытого космоса лазерные системы имеют ограниченный ресурс и требуют много энергии, тогда как Солнце светит прямо «на месте». Третья — масштабирование: упрощение и удешевление аппаратуры открывает дорогу к массовому внедрению защищённых систем квантовой связи, распределённых квантовых сетей и сверхчувствительных квантовых сенсоров.

Значение для будущего квантовых технологий

Эксперимент демонстрирует, что квантовые свойства можно извлекать из самых обычных, «грязных» источников света, если правильно их отфильтровать и обработать нелинейной средой. Это сдвигает парадигму: квантовые технологии перестают быть привилегией высокотехнологичных лабораторий с идеальными лазерами и становятся доступными там, где есть солнечный свет — то есть практически везде на Земле и в ближнем космосе. Публикация в Optica закрепляет за этим результатом статус фундаментального научного открытия, от которого будут отталкиваться дальнейшие разработки в области квантовой криптографии, метрологии и распределённых вычислений.