Солнечный свет впервые заставили порождать квантовую запутанность — без лазеров, без стабилизированных источников, просто с помощью сфокусированных лучей, собранных линзой с окна. Эксперимент, поставленный исследователями из Университета Оттавы и Института науки о свете Макса Планка в Эрлангене, показал: для создания запутанных фотонов не обязательно нужен когерентный свет. Достаточно обычного дневного света, если правильно его собрать и направить.

Результат опубликован в журнале Optica. Точность запутанного состояния достигла примерно 94% по сравнению с идеальной парой частиц. Более того, эксперимент нарушил неравенство Белла — тот самый тест, который позволяет отличить настоящую квантовую корреляцию от любой классической имитации. Нарушение оказалось скромным, но сам факт важен: солнечный свет способен давать квантовые эффекты, которые обычно приписывают только высокоточным лазерным системам.

Почему это неожиданно

Запутанные фотоны — пары частиц света, чьи квантовые свойства связаны. Измерение одной частицы мгновенно даёт информацию о соответствующем измерении другой, даже если они разнесены в пространстве. Такое поведение лежит в основе квантового шифрования и многих схем квантовой обработки информации. Запутанные фотоны прошли 24 км по кабелю с интернет-трафиком, показав, что квантовая связь может работать в реальных условиях.

Большинство установок получают такие пары методом спонтанного параметрического рассеяния: лазерный луч проходит через специальный кристалл, и на выходе рождаются фотоны со скоррелированными свойствами. Лазеры предпочитают потому, что они дают когерентный свет — волны с постоянной фазой и узким диапазоном длин волн.

Солнечный свет совсем другой. Он некогерентен, содержит множество длин волн и приходит на Землю со всех направлений. Казалось бы, худший кандидат для запутывания. Но ещё раньше теоретические работы и опыты со светодиодами подсказали: если нужное квантовое свойство не зависит от длины волны и направления света, то некогерентный источник вполне может сработать.

Как собирали солнечные лучи

Для проверки идеи нужно было сконцентрировать солнечный свет настолько плотно, чтобы загнать его в маленький кристалл. Команда Хание Фаттахи из Института Макса Планка построила стеклянный конус-концентратор. Он собирал свет с линзы Френеля размером с окно и направлял его в тонкое оптическое волокно.

Систему испытывали на открытом воздухе возле института в течение трёх дней. Внутри светозащитной палатки размещались источник фотонов и электроника; снаружи стоял солнечный концентратор. Полученные пары фотонов показали те самые 94% точности запутанного состояния.

Нарушение неравенства Белла было ограниченным. Исследователи связали это отчасти со слабым сезонным солнцем и проплывающими облаками. Качество запутанности не дотягивало до лучших лазерных систем, но Ченг Ли, со-руководитель работы (в то время аспирант Университета Оттавы, ныне — в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли), считает, что виноваты скорее искажения в оптических компонентах, а не сама природа солнечного света. Он называет эксперимент доказательством принципа.

Зачем это нужно

Лазерные источники запутанных фотонов требуют электричества, стабилизации и охлаждения. Значительная часть энергии уходит в тепло. Если источник сможет питаться напрямую от солнечного света, исчезнет целый этап преобразования электричества в оптическое излучение.

Отсюда и практическая перспектива: спутниковые системы могли бы использовать солнечный свет, уже доступный на орбите, для генерации квантовых ключей шифрования. До реального внедрения далеко, но эксперимент показывает иной подход к построению квантовой инфраструктуры — менее энергозатратный и потенциально пригодный для удалённых мест, где нет стабильного электроснабжения.

Сейчас исследователи работают над повышением яркости источника и качества запутанности. Более мощная система могла бы выйти за пределы лаборатории — в полевые условия или на орбиту. И хотя солнечный свет вряд ли заменит лазеры там, где нужна максимальная точность, он открывает дорогу квантовым технологиям туда, куда лазерную установку не привезёшь.

Остаётся вопрос: насколько далеко можно продвинуть этот принцип? Если удастся поднять яркость и стабильность, квантовая связь, возможно, перестанет зависеть от розетки.