Słońce zamiast lasera. Nowy sposób na technologie kwantowe
Technologie kwantowe mają problem z prądem. Chłodzenie nadprzewodzących procesorów do temperatur bliskich zera bezwzględnego pochłania kilkanaście kilowatów na urządzenie, pułapki jonowe wymagają rozbudowanej infrastruktury, a nawet pozornie „lekkie" źródła fotoniczne opierają się na laserach – urządzeniach emitujących moc rzędu miliwatów kosztem watów pobieranych z sieci, w dużej mierze traconych na stabilizację widma i chłodzenie. W obliczu rosnącego zapotrzebowania na infrastrukturę kwantową to coraz poważniejsze ograniczenie, zwłaszcza tam, gdzie prądu po prostu brakuje – w kosmosie czy na stacjach polarnych.
Zespół z University of Ottawa, University of Rochester, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg i Instytutu Maxa Plancka ds. Nauki o Świetle postanowił sprawdzić, czy do generowania splątanych fotonów – podstawowego elementu komunikacji i obliczeń kwantowych – laser jest naprawdę niezbędny. Wyniki opublikowane w Optica dają jasną odpowiedź: nie. Wystarczy Słońce.
Splątane pary fotonów powstają zwykle w procesie spontanicznej parametrycznej konwersji w dół (SPDC): foton wiązki pompującej, przechodząc przez kryształ nieliniowy, rozpada się na dwa skorelowane fotony potomne. Od dekad zakładano, że pompa musi być wysoce koherentna, bo inaczej korelacje kwantowe się rozmyją. Chaotyczne, rozproszone światło słoneczne wydawało się więc z góry skazane na porażkę.
Jednak koherencja nie jest jedną cechą światła, lecz zestawem niezależnych parametrów – osobno opisujących polaryzację, strukturę przestrzenną czy widmo czasowe. Utrata spójności w jednym z nich niekoniecznie niszczy splątanie w innym. Skoro promieniowanie słoneczne jest dobrze spolaryzowane, splątanie polaryzacyjne powinno teoretycznie przetrwać, nawet jeśli w czasie i przestrzeni pozostaje ono nieuporządkowane.
Praktycznym wyzwaniem było upakowanie rozproszonego światła w plamkę wielkości ułamka milimetra, potrzebną do trafienia w kryształ. Naukowcy zbudowali więc koncentrator czyli śledzącą Słońce soczewkę Fresnela o powierzchni ponad metra kwadratowego, sprzężoną ze szklanym stożkiem, który przez wielokrotne wewnętrzne odbicia zagęszczał światło i wprowadzał je do cienkiego światłowodu prowadzącego do kryształu ppKTP w interferometrze Sagnaca.
Wynik przerósł oczekiwania sceptyków. Wierność uzyskanych par fotonów względem stanu maksymalnie splątanego sięgnęła niemal 94%, a test nierówności Bella przekroczył próg klasyczny o ponad dwa odchylenia standardowe. To jednoznaczny dowód nielokalności. Po uwzględnieniu szerokości pasma spektralnego tempo generowania par fotonów okazało się porównywalne z układami laserowymi.
Wynik eksperymentu wskazuje, że przewaga lasera była w tym zastosowaniu w dużej mierze przyzwyczajeniem technicznym, a nie fizyczną koniecznością. System wymaga co prawda poboru energii – potrzebuje zasilania do stabilizacji temperatury kryształu i śledzenia Słońca – ale eliminuje najbardziej energochłonny element: konwersję elektryczno-optyczną. To otwiera drogę do prostszych, mniej awaryjnych źródeł splątanych fotonów dla satelitów, misji międzyplanetarnych czy stacji w Arktyce, gdzie prąd jest z definicji ograniczony, a Słońce świeci niemal bez przerwy.
Autorzy zaznaczają, że to dopiero początek: podobną logikę można przenieść na inne procesy nieliniowe, jak mieszanie czterofalowe, co może uczynić fotonikę kwantową napędzaną Słońcem realnym rozwiązaniem, a nie jedynie laboratoryjną ciekawostką.
Komentarze (0)