Солнце вместо лазеров: создан первый источник квантовой запутанности на прямом солнечном свете

Современные квантовые технологии столкнулись с системной проблемой — высоким энергопотреблением и высокой сложностью оборудования. Для создания квантовых сетей связи, передающих информацию в защищенном виде, необходимы запутанные фотоны — пары частиц света, состояния которых жестко взаимосвязаны.

Десятилетиями единственным инструментом для их получения считались лазеры. Причина заключалась в том, что лазер формирует полностью упорядоченный поток света: все его волны имеют одинаковую длину, фазу и направление. Физики исходили из представления, что использовать хаотичный, рассеянный свет природы для создания квантовой запутанности невозможно.

Международная группа исследователей из Университета Оттавы (Канада) и Института науки о свете Макса Планка (Германия) опровергла это представление. В научном журнале Optica они опубликовали результаты эксперимента, в ходе которого запутанные пары фотонов были впервые получены напрямую из обычного солнечного света.

Разработка позволяет отказаться от сложных лазерных систем и открыть путь к созданию автономных квантовых спутников и станций связи, работающих от энергии Солнца.

В чем проблема современных лазерных квантовых систем

Главный элемент современных оптических квантовых технологий — это защищенная передача данных, или квантовое распределение ключей. Если перехватить квантовый сигнал, передаваемый запутанными фотонами, состояние частиц моментально изменится, и вмешательство станет очевидным.

Для создания таких фотонов сегодня применяют специальные кристаллы, которые освещают лазером. Однако использование лазеров создает ряд серьезных инженерных ограничений:

• Низкая энергетическая эффективность. Лазерные диоды потребляют несколько ватт электрической мощности, чтобы выдать лишь доли милливатта полезного оптического излучения. Большая часть энергии превращается в тепло.
• Необходимость постоянного охлаждения. Лазеры чувствительны к температуре. Чтобы длина волны не смещалась, оборудование требует громоздких систем терморегулирования.
• Уязвимость в экстремальных условиях. В условиях космической радиации, сильных перепадов температур или в арктическом климате лазерная электроника быстро выходит из строя.
• Сложная цепочка питания. Чтобы запустить лазер на спутнике, нужно сначала собрать солнечный свет солнечными батареями, превратить его в электричество, передать на лазер, и только потом лазерный луч создаст квантовые фотоны. На каждом этапе этой цепочки теряется энергия.

В поисках решения физики задались вопросом: можно ли убрать из этой цепочки электричество и лазеры, заставив сам солнечный свет создавать запутанные фотоны?

Физика процесса: почему хаотичный свет смог создать запутанность

Световая волна обладает несколькими независимыми характеристиками:

1. Частота (цвет): длина световой волны.
2. Пространственное направление: куда именно летит свет.
3. Время: момент испускания волны.
4. Поляризация: направление, в котором происходят колебания световой волны (например, вертикально или горизонтально).

Метод получения запутанных фотонов называется спонтанным параметрическим рассеянием. Фотон с высокой энергией попадает в специальный нелинейный кристалл и делится на два фотона с меньшей энергией.

Раньше считалось, что если входящий свет некогерентен — то есть его волны имеют разную длину, идут в разных направлениях и в разное время, как у Солнца, — то и рожденные фотоны будут хаотичными и незапутанными.

Физики доказали, что это ограничение касается только тех характеристик, в которых свет изначально хаотичен (время и направление). Но оно не распространяется на поляризацию.

Солнечный свет может быть полностью хаотичным по цвету и времени испускания, но если правильно направить его через оптическую систему, рожденные в кристалле фотоны окажутся строго взаимосвязанными по поляризации: если первый фотон имеет вертикальную поляризацию, второй гарантированно получит горизонтальную, и наоборот.

Как устроена экспериментальная установка

Эксперимент был организован не в запечатанной чистой лаборатории, а на открытом воздухе во дворе Института науки о свете в городе Эрланген (Германия). Оборудование поместили в светонепроницаемую палатку для защиты от внешнего освещения и ветра.

Конструкция состоит из двух основных модулей.

Модуль сбора солнечного света

• Линза Френеля и конический концентратор: фокусируют естественный солнечный свет и собирают его в один пучок без использования электроэнергии.
• Спектральный фильтр: пропускает только тот диапазон длин волн, который необходим для работы кристалла.
• Многомодовое оптическое волокно: передает собранный и отфильтрованный солнечный свет внутрь оптического блока.

Модуль генерации запутанных фотонов

• Нелинейный кристалл (ppKTP): материал, в котором происходит расщепление фотонов.
• Интерферометр Саньяка: специальная система зеркал и поляризационных делителей.

Солнечный свет из волокна попадает в интерферометр Саньяка. Эта система разделяет пучок и направляет его через кристалл одновременно в двух противоположных направлениях — по часовой стрелке и против нее.

Поскольку невозможно определить, каким именно путем прошел конкретный фотон, оба процесса объединяются. На выходе из кристалла возникают пары фотонов, находящиеся в запутанном состоянии по поляризации:

|Ψ⟩ = (1 / √2) x (|HV⟩ - |VH⟩)

где H и V обозначают горизонтальную и вертикальную поляризации соответственно.

Результаты измерений: проверка квантовой природы

Чтобы доказать, что полученные фотоны действительно запутанны, а не просто представляют собой случайный солнечный шум, ученые провели серию измерений с помощью детекторов одиночных фотонов.

Основные показатели эксперимента

1. Тест неравенств Белла (S = 2,5408): это главный математический критерий квантовой связи. В классическом мире физики этот параметр не может превышать значение 2,0. Результат 2,5408 строго подтверждает, что связи между фотонами имеют квантовую природу и не могут быть объяснены классической физикой.
2. Показатель запутанности (Concurrence, C = 0,905): шкала варьируется от 0 (полное отсутствие связи) до 1,0 (идеальная запутанность). Значение 0,905 демонстрирует высокую степень квантовой связи.
3. Чистота состояния (P = 0,919): показывает соотношение полезного квантового сигнала и посторонних шумов. Значение близко к единице, что подтверждает низкий уровень помех.
4. Точность совпадения с идеальным состоянием (Fidelity, F = 0,939): подтверждает, что созданное состояние фотонов практически полностью соответствует теоретически рассчитанному квантовому состоянию.
5. Скорость генерации: система создавала около 1600 запутанных пар фотонов в секунду на каждый милливатт мощности входящего света. При пересчете на ширину спектра этот показатель оказался равен эффективности традиционных лазерных установок.

Причиной небольших отклонений от идеальной единицы стали не свойства солнечного света, а технические несовершенства зеркал и линз, которые слегка искажали волновой фронт. Физики отмечают, что использование более точной оптики позволит повысить показатели (0,905 и 0,919) еще ближе к пределу.

Практическое применение: космос, Арктика и экономия энергии

Переход от лазерной накачки к прямому использованию солнечного света дает несколько практических преимуществ для инженерии.

Элиминация двойного конвертирования энергии

В стандартной схеме солнечный свет сначала попадает на кремниевую солнечную батарею, превращается в электрический ток, питает лазер, и только лазер создает запутанные фотоны. В новой установке солнечный свет сразу создает квантовые фотоны. Это исключает потери энергии на нагрев лазеров и работу промежуточной электроники.

Оптимизация массогабаритных параметров спутников

Квантовые спутники связи, такие как китайский аппарат «Мэнцзы» (Micius), требуют больших солнечных батарей и тяжелых систем охлаждения лазеров. Прямой сбор света позволяет уменьшить вес и размеры аппаратов, что значительно снижает стоимость их вывода на орбиту. На солнечно-синхронных орбитах спутник находится под непрерывным воздействием Солнца, что обеспечивает постоянную работу квантового передатчика.

Устойчивость к атмосферным помехам

Прохождение световых сигналов через атмосферу Земли сопровождается искажениями из-за ветра, пыли и перепадов плотности воздуха. Исследования показывают, что квантовые состояния, созданные из частично некогерентного света, проходят через турбулентную атмосферу с меньшими потерями, чем тонкие лазерные лучи.

Автономные наземные станции

Технология позволяет создавать квантовые станции связи в изолированных регионах — например, в Арктике или на удаленных островах, где ограничен доступ к электросетям и обслуживание сложной лазерной техники затруднено.

Препятствия и следующие шаги инженеров

Представленный эксперимент является доказательством физической концепции. Чтобы превратить лабораторную установку в готовый коммерческий или космический продукт, инженерам предстоит решить несколько задач:

• Системы слежения за Солнцем: необходимо разработать компактные и надежные механизмы, которые будут удерживать фокус солнечного концентратора на Солнце при движении спутника или вращении Земли.
• Устойчивость к облачности: на Земле прямая солнечная накачка зависит от погоды. В наземных сегментах технология оптимизирована для регионов с высоким уровнем инсоляции либо для установки на спутниках за пределами атмосферы.
• Миниатюризация оптики: текущая установка состоит из отдельных оптических элементов. Следующий шаг — интеграция линз, фильтров и кристалла в единый монолитный микроблок.

Заключение

Эксперимент международной группы физиков изменил подход к созданию квантовых устройств. Он доказал, что для получения квантовых состояний света не требуется создавать стерильные условия с использованием лазеров.

Естественное излучение Солнца, несмотря на его хаотичность, может быть напрямую преобразовано в высокочистый квантовый ресурс. Это открытие снижает энергетические и конструктивные барьеры на пути к созданию глобальной защищенной квантовой инфраструктуры — как на Земле, так и в космосе.

Источник: Optica