Sluneční světlo lze využít jako zdroj pro vznik kvantově provázaných fotonů. Ukázal to experiment týmu z University of Ottawa, Max Planck Institute for the Science of Light a Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg v Německu. Výzkumníci soustředili a spektrálně vybrali sluneční záření tak, aby mohlo nahradit laser, který se při přípravě podobných kvantových stavů používá obvykle. Podle studie zveřejněné v časopise Optica se podařilo vytvořit páry fotonů s provázáním v jejich polarizaci.
Kvantové provázání je stav, v němž nelze vlastnosti dvou částic popsat nezávisle, i když jsou od sebe oddělené. V tomto případě šlo o polarizaci, tedy směr kmitání elektromagnetického pole světla. Takové páry fotonů jsou jedním z používaných zdrojů pro kvantovou komunikaci, kvantové snímání i některé koncepce fotonových kvantových technologií.
Sluneční paprsky nahradily pumpovací laser
Experiment využil spontánní parametrickou konverzi, optický jev označovaný zkratkou SPDC. Při něm foton z dopadajícího světla v nelineárním krystalu vytváří dvojici fotonů s nižší energií. V běžných uspořádáních je zdrojem takzvaného pumpovacího světla laser, protože jeho světlo je dobře uspořádané neboli koherentní. Sluneční záření je naopak prostorově i časově nekoherentní: přichází z mnoha směrů a obsahuje široké spektrum vlnových délek.
Autoři však vycházeli z toho, že neuspořádanost pumpovacího světla nemusí omezovat provázání, pokud se týká jiných vlastností než těch, v nichž má provázání vzniknout. Sluneční záření proto nejprve filtrovali kolem vlnové délky 405 nm a polarizovali jej. Takto upravené světlo pak vedli do krystalu z periodicky pólovaného titanyl-fosforečnanu draselného o délce 10 mm. Krystal byl součástí Sagnacova interferometru, optické sestavy, která umožňuje vytvářet dva nerozlišitelné procesy konverze světla a spojit je do provázaného stavu.
Pro zachycení dostatečného množství slunečního světla postavil tým koncentrátor. Záření sbírala Fresnelova čočka o rozměrech 1 m × 1,4 m, která je lehčí alternativou běžné čočky a soustředí světlo pomocí soustředných prstenců. Následný skleněný kuželový koncentrátor vedl světlo do mnohovidového optického vlákna s jádrem o průměru 50 µm. Venkovní měření se uskutečnila v uzavřeném prostoru v areálu Max Planck Institute for the Science of Light v Erlangenu; citlivá optická část byla před okolním světlem chráněna ve stanu a světlotěsném krytu.
Tomografie potvrdila kvalitu vytvořeného stavu
Vědci analyzovali vzniklé dvojice pomocí kvantové stavové tomografie, tedy souboru měření, z nichž lze zrekonstruovat kvantový stav systému. Zaznamenávali shody detekce ve 16 kombinacích polarizačních nastavení, přičemž každé měření trvalo dvě minuty. Data získali ve třech různých dnech a korigovali je na změny intenzity slunečního svitu. Naměřená věrnost vůči cílovému maximálně provázanému Bellovu stavu dosáhla hodnoty 0,939 ± 0,027. Věrnost vyjadřuje podobnost připraveného stavu s ideálním cílem; hodnota 1 by znamenala úplnou shodu.
Dalším ukazatelem byla konkurrence, míra provázání na škále od 0 do 1. V experimentu vyšla 0,905 ± 0,053, zatímco čistota kvantového stavu, která zjednodušeně popisuje míru rušivého šumu, činila 0,919 ± 0,045. Fotony zároveň porušily Bellovu nerovnost v testu CHSH: naměřený parametr byl 2,5408 ± 0,2171, zatímco hranice slučitelná s lokálními skrytými proměnnými je 2. Výsledek tak poskytuje nezávislé potvrzení, že nešlo jen o běžnou klasickou korelaci mezi detekovanými fotony.
Po přepočtu na výkon dopadajícího světla tým získal přibližně 1 600 koincidencí za sekundu na 1 mW výkonu pumpovacího světla. Autoři upozorňují, že tato hodnota byla v jejich sestavě nižší než při použití laseru, kde uvádějí asi 7 500 koincidencí za sekundu na 1 mW. Část slunečního světla totiž neodpovídala úzkému spektrálnímu rozsahu, v němž krystal účinně vytváří fotonové páry. Nejde proto o hotový zdroj pro praktický provoz, ale o demonstrační experiment.
Výzkumníci považují za hlavní omezení nynějšího zařízení kolísání slunečního záření, přesnost sledování Slunce, ztráty při soustředění světla i zkreslení v optických prvcích, která mohou snižovat kvalitu provázání. Samotný zdroj nevyžadoval elektrický příkon pro laser, sestava ale stále používala detektory, elektroniku a regulaci teploty krystalu. Možné využití na družicích nebo v energeticky omezených kosmických misích proto zůstává výhledem, který by vyžadoval podstatné zlepšení koncentrace světla, stability i celkové konstrukce zařízení.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.