Istraživači demonstriraju da se kvantno sprezanje fotona može generisati direktno iz Sunčeve svetlosti

Korišćenje prirodne svetlosti za proizvodnju spregnutih fotona prestavlja potencijalni put ka energetski efikasnijim kvantnim tehnologijama.

Današnje kvantne tehnologije oslanjaju se na energetski intenzivne lasere, što izaziva zabrinutost da bi njihovo proširivanje moglo povećati potrebu za energijom. Istraživači u novom radu demonstriraju da se kvantno sprezanje između fotona može generisati direktno iz Sunčeve svetlosti, dajući potencijalnu alternativu.

Preporučujemo

„Kvantno sprezanje je ključno za primene kao što su bezbedna komunikacija, ultraprecizni senzori i visokoefikasno računarstvo“, rekao je Čeng Li sa Univerziteta Otava u Kanadi. „Naš rad pokazuje da se obilni izvori prirodne svetlosti mogu koristiti za kvantno sprezanje, stvarajući mogućnost za energetski efikasnije i pristupačnije kvantne tehnologije“.

Istraživači kažu da je sprezanje koje su postigli koristeći Sunčevu svetlost uporedivo sa pristupima zasnovanim na laserima nakon što su uzete u obzir razlike u opsegu ulazne svetlosti.

Ovaj napredak kombinuje teorijska dostignuća sa Univerziteta Otava i novi solarni koncentrator razvijen u Institutu Maks Plank za nauku o svetlosti (MPL) u Nemačkoj.

„Ova tehnologija bi jednog dana mogla omogućiti satelitima da kreiraju ključeve za bezbednu enkripciju koristeći Sunčevu svetlost koja je već uveliko prisutna u svemiru, smanjujući potrebu za laserima i pratećim hardverom“, kaže Li. „Generisanje sprezanja pomoću Sunčeve svetlosti bi takođe moglo obezbediti ključni sastojak potreban za proširivanje kvantnog računarstva bez povećanja energetskog opterećenja“.

Preispitivanje kvantnih izvora svetlosti

Naučnici neko vreme smatraju da se snažne korelacije koje su potrebne za sprezanja fotona mogu ostvariti samo pomoću koherentne svetlosti — što znači da svetlosni talasi ostaju sinhronizovani, sa gornjim i donjim nivoima poravnatim u predvidljivom obrascu. Zbog toga se laseri, koji proizvode visokokoherentnu svetlost jedne boje, obično koriste za stvaranje spregnutih fotona.

U ranijem radu, teorijski je predviđeno i eksperimentalno osmotreno da nekoherentna svetlost može proizvesti kvantno sprezanje. Upotrebljena je svetleća dioda, koja proizvodi nekoherentnu svetlost, za generisanje polarizaciono spregnutih fotona. Ovo je postavilo važan temelj pokazujući da svetlost može ostati neuređena u jednom svojstvu — kao što su pravci kretanja — a ipak proizvoditi fotone koji su spregnuti u drugom svojstvu, kao što je njihova polarizacija.

Novo istraživanje ide korak dalje koristeći Sunčevu svetlost, koja je veoma divergentna i obuhvata širok spektar boja. Da bi proizveli sprezanje, istraživači su koristili parametričko rasejavanje, proces koji uzrokuje da se individualni fotoni podele u parove koji mogu postati kvantno spregnuti.

Umesto tradicionalne laserske pumpe, koristili su Sunčevu svetlost koja je bila visokopolarizovana, ali i dalje veoma nekoherentna u prostoru i vremenu. Drugim rečima, ukupno polje Sunčeve svetlosti osciliralo je u istom pravcu, ali je sadržalo raznobojne fotone koji su mogli da se prostiru u raznim pravcima.

„Dizajnirali smo eksperimentalni sistem tako da razlike usled različitih boja i pravaca prostiranja ne utiču na polarizaciju fotona“, rekao je Li. „Kao što naša teorija predviđa, ako sprezanje postoji samo u polarizaciji, onda bi trebalo da zavisi samo od uređenosti pumpe u njenom pravcu osciliranja, a ne od njenog pravca ili boje. To je omogućilo da proizvedemo visokokvalitetno polarizaciono sprezanje iz veoma prostorno i vremenski nekoherentne Sunčeve svetlosti“.

Još jedan izazov bio je kako fokusirati Sunčevu svetlost na sićušni nelinearni kristal milimetarske veličine. Radi toga je razvijen potpuno stakleni solarni koncentrator – kupasti uređaj koncentriše Sunčevu svetlost prikupljenu Fresnelovim sočivom veličine kućnog prozora u optičko vlakno širine ljudske dlake, što omogućava fokusiranost na sićušni nelinearni kristal koji pokreće generisanje sprezanja.

Testiranje teorije

Da bi testirali svoju teoriju i solarni koncentrator, istraživači su sproveli eksperiment na otvorenom. Koristeći kvantnu tomografiju za karakterizaciju dobijenog kvantnog stanja, otkrili su da je sprezanje generisano iz Sunčeve svetlosti bilo oko 94% slično savršeno spregnutom stanju. Osim toga, fotoni proizvedeni tokom eksperimenta bili su u korelaciji koja krši Belovu nejednakost, što ukazuje da korelacija nema klasično objašnjenje i mora biti rezultat kvantnog sprezanja.

Sad kad je provera principa završena, istraživači rade na proizvodu primenljivom na terenu, poboljšavajući sjajnost i kvalitet sprezanja. Istraživači kažu da bi se ovaj pristup mogao proširiti na druge nelinearne optičke metode, potencijalno otvarajući nove pravce u istraživanju kvantne fotonike.

„Od samog početka ovog projekta, naša ideja je nailazila na sumnju. Neki poznati istraživači su čak dovodili u pitanje da li će biti moguće detektovati bilo kakve fotone — a kamoli spregnute fotone — iz nelinearnih optičkih procesa pokretanih Sunčevom svetlošću. Međutim, verovali smo svojim proračunima, nastavili da unapređujemo eksperimentalni sistem i na kraju pokazali da je to moguće“, rekao je Li.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)