Доскоро физиците смятаха, че вплетени фотони могат да бъдат създадени единствено с помощта на лазер. Ново изследване обаче показва, че те могат да бъдат извлечени и от обикновена слънчева светлина.

Вътре в лазера светлината е подредена по всички възможни начини: един цвят, една посока, с подравнени пикове на вълните.

Дълго време физиците приемаха тази подреденост като задължително условие за създаването на двойка вплетени фотони – нещо, което напълно липсва при слънчевата светлина.

Въпреки това, екип от учени в Германия успява да постигне именно това.

Работейки на открито, те прекарват необработена слънчева светлина през малък кристал и получават вплетени двойки фотони.

Оказва се, че подредеността на източника на светлина (т.нар. „помпа“) ограничава само свойството, за което се отнася.

Два вплетени фотона се държат като един обект. Ако се измери поляризацията на единия (посоката, в която трепти вълната му), поляризацията на другия се определя мигновено.

Тези двойки са основният градивен елемент на квантовото криптиране.

Лазерите изискват много енергия

Един комерсиален лазер консумира няколко вата електроенергия, за да достави едва миливати светлина.

Голяма част от разликата се изразходва за поддържане на стабилен цвят и температура, а остатъкът се отделя като топлина.

Инженерите вече проектират орбитални центрове за данни и слънчеви електроцентрали в космоса. Там слънчевата светлина е безплатна, а лазерният диод е просто още един компонент, който може да бъде повреден от радиацията.

Не всяка светлина се държи по един и същи начин

Светлината може да бъде подредена по няколко начина едновременно: вълните могат да споделят един цвят, да се движат в една посока и да трептят в синхрон.

Физиците наричат всеки от тези видове подреденост „кохерентност“, а лазерът притежава и трите.

В определени кристали фотон от лъча на помпата понякога се разделя на два фотона с по-ниска енергия, които излизат свързани.

Този процес, наречен „спонтанно параметрично преобразуване надолу“, е основният метод за създаване на вплетени двойки.

Правилото, свързващо кохерентността с вплитането, се оказва по-тясно, отколкото се смяташе. Физиците са установили, че подредеността на помпата в едно свойство ограничава вплитането само в същото това свойство. Групата на Робърт Бойд вече е тествала това с LED диод, чиято светлина е смесица от цветове, движещи се във всички посоки, и е получила двойки, вплетени по поляризация.

Слънчевата светлина обаче е по-трудният случай. По-рано тази година друг екип съобщи за корелиращи фотонни двойки от слънчева светлина, без обаче да тества дали те са вплетени.

Превръщане на слънчевата светлина във вплетени фотони

За експеримента е използвана леща на Френел. Плосък лист с нарези, който огъва светлината като много по-дебела извита леща. Тя събира слънчевата светлина, а филтри отрязват лъча до цветовете, които кристалът може да използва.

След това стъклен конус стеснява останалата светлина, докато се побере в оптично влакно.

Влакното пренася светлината в контур от две огледала, лъчев разделител и самия кристал.

Светлината преминава през този контур в двете посоки едновременно, така че излизащата двойка не може да бъде проследена до нито един от двата пътя.

Именно това прави двата фотона вплетени, а не просто корелиращи.

Целият експеримент е проведен на открито в Института за наука за светлината „Макс Планк“ в Ерланген, Германия.

Оптиката е била защитена от вятър с ограда, а екипът е работил в палатка, като апаратурата е била в непропускаща светлина кутия. Така единствената светлина, достигаща до детекторите, е тази от оптичното влакно.

Слънчевата светлина произвежда фотонни двойки

Двата фотона от една реална двойка напускат кристала заедно, следователно трябва да достигнат детекторите едновременно. Почти всяко съвпадение се появява в тесен пик, изместен с 2,25 наносекунди поради електрически закъснения в брояча, а не заради поведението на фотоните. След 5 наносекунди броят на съвпаденията спада почти до нула, което означава, че почти няма случайни двойки от несвързани фотони.

При около 100 нановата слънчева светлина, достигаща до кристала, детекторите регистрират около 10 двойки в минута. Или приблизително 1600 двойки в секунда за всеки миливат мощност на помпата.

Това е съпоставимо с резултатите, постигнати от същата група с LED помпа, както и с тези от лазерни източници след корекция за честотната лента.

Преброяването на двойките показва, че фотоните пристигат заедно, но не доказва, че са вплетени.

Затова в продължение на три дни екипът измерва двойките по 16 различни начина.

От тези измервания е получено пълно описание на състоянието, което съвпада с целевото на 94%. По скала, където 0 означава липса на вплитане, а 1 – максимално възможното според законите на физиката, двойките постигат резултат от 0,905.

По-трудният въпрос, който остава, е дали фотоните са носили предварително определени „отговори“ още от момента на създаването си в кристала, които просто са били отчетени по-късно.

Физици проведоха експеримент, известен като тест на Бел, при който бе постигнат резултат, надхвърлящ класическите граници.

Измерената стойност от 2,5408 (с отклонение от 0,2171) е значително по-висока от прага от 2, който никоя класическа теория не може да премине. Макар разликата да е скромна, резултатът е категоричен.

Все още не е доказано дали концентрираната слънчева светлина може да достигне достатъчна яркост в тесния цветови спектър на кристала, за да се конкурира със съвременните лазерни диоди.

Едно от възможните приложения е при сателити в слънчево-синхронна орбита, които поддържат почти постоянен ъгъл спрямо слънцето, което значително би намалило нуждата от проследяване.

Ако екипът успее да направи системата по-ярка и по-ефективна, един ден самата слънчева светлина би могла да помогне за захранването на сигурни квантови комуникации в космоса.

Пълното изследване е публикувано в списание „Optica“.