Заплутування – це один з найкращих трюків у магічному ящику квантової фізики, коли два частинки нерозривно пов'язані під час вимірювання. Це ключовий компонент потенційних досягнень у комп'ютерних, комунікаційних та сенсорних технологіях.

Вчені мають різні методи для створення заплутаних частинок, часто використовуючи світлові частинки (фотони). Стандартний спосіб заплутування фотонів полягає у використанні високоенергетичного лазера, який направляється в спеціально налаштований кристал.

Цей метод надійний і добре відомий, але він вимагає значних енергетичних витрат та доступу до сучасного лазера.

Тепер дослідники з Університету Оттави в Канаді та Інституту Макса Планка в Німеччині зробили те, що деякі вважали неможливим: вони отримали заплутані фотони з сонячного світла.

У своїй публікації в Optica команда зазначає, що це нововведення може призвести до технологій заплутування, які будуть дешевшими та легшими для впровадження в "обмежених ресурсах", від віддалених дослідницьких станцій до супутників на орбіті.

"Наша робота показує, що доступні природні джерела світла можуть бути використані для квантового заплутування, відкриваючи можливості для більш енергоефективних та доступних квантових технологій", – говорить фізик Чен Лі з Університету Оттави.

Дослідники були заохочені попередніми експериментами, які показали, що заплутані фотони можуть бути отримані за допомогою світла LED, що свідчить про потенціал некогерентного світла – світла без синхронності та однорідності лазерів – для запуску цього процесу.

"Деякі всесвітньо відомі дослідники в цій галузі навіть сумнівалися, чи буде можливим це зробити."

– Фізик Чен Лі

Експериментальне налаштування включало лінзу Френеля розміром з вікно та воронку, яка концентрувала зібране сонячне світло в оптичне волокно шириною з людське волосся.

Сфокусоване світло потім направлялося на кристал для фактичного заплутування.

Щоб подолати некогерентні характеристики сонячного світла, команда зосередилася на його поляризації: орієнтації його коливального електромагнітного поля. Заплутуючи цю характеристику, пристрій забезпечив, щоб навколишня "безладність" світла не заважала заплутанню поляризації.

"Ми спроектували наше експериментальне налаштування так, щоб різниці, викликані різними кольорами та напрямками поширення, не впливали на поляризацію фотонів", – говорить Лі.

"Як передбачає наша теорія, якщо заплутування існує лише в поляризації, то воно повинно залежати лише від порядку в напрямку коливання, а не від його напрямку чи кольору.

Це дозволило нам отримати високоякісне заплутування поляризації з дуже просторово та тимчасово некогерентного сонячного світла."

Заплутані фотони, які команда отримала, пройшли кілька важливих тестів квантової фізики. Частинки були приблизно на 94 відсотки схожі на ідеально заплутаний стан і порушили нерівність Белла – стандартний знак того, що їх кореляції не можуть бути пояснені класичною фізикою.

Якщо заплутані фотони створені, вони можуть зберігати своє внутрішнє зв'язування навіть на величезних відстанях. В принципі, це може означати з'єднання величезних телескопів або комунікації, які неможливо перехопити.

"Ця технологія може одного дня дозволити супутникам створювати безпечні ключі шифрування, використовуючи сонячне світло, яке вже є в космосі, зменшуючи потребу в бортових лазерах та більшості супутніх апаратів", – говорить Лі.

"Генерація заплутування за допомогою сонячного світла також може забезпечити важливу складову, необхідну для масштабування квантових комп'ютерів без збільшення енергетичних витрат."

Дослідники називають це "демонстрацією принципу": ми ще не маємо повноцінного квантового заплутувача, що працює на сонячній енергії, який можна було б доставити по всьому світу або вбудувати в інші технології.

Це обнадійливий прорив, оскільки це абсолютно новий вид джерела для заплутування фотонів. Якість заплутування може бути покращена, кажуть дослідники, так само як і яскравість – швидкість, з якою виробляються заплутані фотони.

Цікавий факт

Цей прорив може змінити підходи до квантових технологій, роблячи їх доступнішими та енергоефективнішими, що важливо для майбутніх досліджень у цій галузі.