«Апостериори»: Солнечный свет впервые использовали для создания квантово-запутанных фотонов
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Физики впервые экспериментально показали, что обычный солнечный свет можно использовать вместо лазера для генерации пар квантово-запутанных фотонов. Результаты исследования были опубликованы 6 августа 2026 года в журнале Optica.
Квантовая запутанность – это состояние, при котором свойства нескольких частиц оказываются связаны между собой таким образом, что их уже нельзя полностью описывать независимо друг от друга. Запутанные фотоны используются, например, в квантовой связи, квантовой криптографии и некоторых методах квантовых измерений.
Один из распространённых способов получения таких фотонов основан на спонтанном параметрическом преобразовании с понижением частоты, или SPDC. В этом процессе фотон света взаимодействует с нелинейным оптическим материалом и преобразуется в два фотона меньшей энергии. При определённых условиях возникающая пара может находиться в запутанном состоянии.
Обычно для запуска такого процесса используют лазеры. Их свет обладает высокой когерентностью – грубо говоря, колебания электромагнитного поля в лазерном луче хорошо согласованы между собой во времени и пространстве. Долгое время высокая когерентность считалась практически необходимым условием для получения качественных запутанных состояний.
Солнечный свет, напротив, крайне некогерентен. Он состоит из огромного числа независимо излучённых волн с различными частотами и фазами. Однако в последние годы стало понятно, что для возникновения запутанности высокая когерентность источника нужна не всегда. Например ранее учёные уже получали поляризационно-запутанные фотоны при помощи некогерентного света светодиодов.
В новой работе исследователи решили проверить, можно ли пойти ещё дальше и использовать в качестве источника солнечный свет.
Экспериментальная установка состояла из двух основных частей. Сначала солнечный свет собирали при помощи линзы Френеля, пропускали через спектральные фильтры и концентратор, а затем направляли в многомодовое оптоволокно. После этого свет попадал на нелинейный кристалл из периодически поляризованного титанил-фосфата калия – ppKTP, установленный внутри интерферометра Саньяка. Именно в этом кристалле происходило преобразование солнечных фотонов в пары фотонов меньшей энергии.
Установка работала под открытым небом в Институте науки о свете Общества Макса Планка в немецком Эрлангене. Часть оборудования разместили внутри затемнённой палатки и светонепроницаемого корпуса, чтобы исключить влияние постороннего света на детекторы.
По словам авторов работы, степень запутанности полученных фотонов оказалась сопоставима с результатами современных источников, использующих лазерные источники света.
Важно, что солнечный свет здесь не содержит готовые пары запутанных фотонов. Он используется как источник энергии для нелинейного процесса в кристалле, который и создаёт эти пары. Но такой подход потенциально позволяет отказаться от использования лазера и связанного с ним преобразования электрической энергии в свет.
Авторы предполагают, что использование солнечного света может сделать некоторые фотонные квантовые системы проще и энергоэффективнее. При этом нынешняя установка всё ещё не является полностью пассивной: электричество требуется, например, для поддержания температуры нелинейного кристалла и для системы слежения за Солнцем.
Одним из возможных применений такой технологии исследователи называют спутниковые системы квантовой связи. На аппаратах в космосе уменьшение энергопотребления, количества оборудования и тепловыделения особенно важно. В то же время до практического применения ещё далеко: необходимо решить проблемы миниатюризации, изменения интенсивности солнечного света, радиационной стойкости и наведения системы на Солнце. Авторы подчёркивают, что нынешний эксперимент пока представляет собой только доказательство принципиальной возможности такого подхода.
При этом некогерентность солнечного света в будущем может оказаться не только недостатком, но и преимуществом. Его широкий спектр потенциально позволяет получать запутанные фотоны в более широком диапазоне длин волн, а предыдущие исследования показывают, что некоторые состояния, создаваемые при помощи частично когерентного света, могут быть устойчивее к атмосферной турбулентности. Поэтому авторы считают, что солнечный свет может стать не просто более экономичной заменой лазеров, но и основой для новых типов квантовых оптических систем.