Физики впервые сумели создать квантово-запутанные фотоны, используя в качестве источника обычный солнечный свет. До сих пор считалось, что для этого явления нужны только стабильные и хорошо контролируемые лазеры. Работа, опубликованная в журнале Optica, показывает: даже хаотичный свет от Солнца способен порождать настоящие квантовые корреляции.

Почему это считалось невозможным

Квантовая запутанность — особое состояние, при котором две частицы оказываются связаны так, что изменение свойств одной мгновенно отражается на другой, даже если их разделяют большие расстояния. Обычно такие пары фотонов получают с помощью лазеров, которые дают чистый, когерентный свет.

Солнечный свет, напротив, крайне «беспорядочный»: он содержит широкий спектр длин волн, случайные фазы и поляризации. Многие специалисты сомневались, что из такого источника вообще можно извлечь запутанные пары. По словам авторов исследования, некоторые известные учёные прямо говорили, что уловить хоть какой-то сигнал вряд ли удастся.

Как учёные обошли проблему

Команда под руководством Чэн Ли из Оттавского университета вместе с коллегами из Института науки о свете Общества Макса Планка пошла нестандартным путём. Вместо того чтобы пытаться «приручить» хаотичность солнечного света, они сосредоточились на аккуратном управлении поляризацией фотонов.

Солнечный свет собирали с помощью линзы Френеля и направляли в оптическое волокно толщиной с человеческий волос. Дальше специальная оптическая схема выделяла пары фотонов с нужными свойствами. В итоге полученные частицы на 94 % соответствовали идеальному запутанному состоянию. Более того, они нарушали неравенство Белла — это классический тест, который подтверждает: наблюдаемые корреляции невозможно объяснить обычной физикой.

Что это меняет на практике

До сих пор почти все квантовые технологии — от защищённой связи до элементов квантовых компьютеров — опирались на лазерные источники. Лазеры требуют энергии, точной настройки и сложного обслуживания. Возможность использовать вместо них бесплатный и повсеместно доступный солнечный свет заметно упрощает и удешевляет такие системы.

Особенно перспективным выглядит применение в космической связи. Спутники смогут генерировать квантовые ключи шифрования прямо из окружающего солнечного света, не завися от бортовых лазеров и громоздкой аппаратуры. Это открывает путь к созданию квантовых сетей в местах, где ресурсы и энергия сильно ограничены.

Вкратце

Впервые физикам удалось получить настоящие квантово-запутанные фотоны напрямую из солнечного света. Частицы показали 94-процентную степень запутанности и нарушили неравенство Белла. Открытие доказывает, что для квантовых технологий не всегда нужны сложные лазеры — достаточно правильно «отфильтровать» обычный солнечный свет. В перспективе это может упростить защищённую спутниковую связь и другие квантовые системы.