Вчені вперше створили квантову заплутаність за допомогою сонячного світла
Вчені вперше продемонстрували, що звичайне сонячне світло може безпосередньо використовуватися для створення квантово-заплутаних фотонів. Раніше для такого процесу зазвичай застосовували лазери, а новий підхід потенційно може зробити квантові технології простішими та енергоефективнішими.
Дослідження провели фахівці Університету Оттави в Канаді та Інституту науки про світло Макса Планка в Німеччині. Результати опубліковані в журналі Optica, повідомляє NNews із посиланням на Optica.
Сонце замість лазера
Квантова заплутаність виникає, коли два фотони отримують взаємопов’язані квантові властивості. Вимірювання одного з них пов’язане зі станом іншого навіть після їхнього розділення.
Цей ефект розглядають як основу майбутніх систем квантового зв’язку, надточних сенсорів та квантових обчислень.
Традиційно для генерації заплутаних фотонів використовують лазер. Його перевага — висока когерентність: світлові хвилі мають добре узгоджені властивості.
Сонячне світло поводиться зовсім інакше. Воно містить широкий спектр довжин хвиль і поширюється в різних напрямках, тобто є просторово та часово некогерентним.
Саме тому можливість отримати з нього квантову заплутаність тривалий час викликала сумніви.
Як вчені змусили сонячне світло працювати
Дослідники зібрали сонячне світло за допомогою великої лінзи Френеля розміром приблизно з вікно.
Після цього спеціальний конічний концентратор стискав потік світла та спрямовував його в оптичне волокно завтовшки приблизно з людську волосину.
Сконцентроване світло потрапляло на нелінійний кристал. Там відбувався процес спонтанного параметричного даун-конвертування (SPDC), під час якого фотони світла взаємодіють із кристалом і породжують пари фотонів із квантовими кореляціями.
Ключовим стало не намагання зробити сонячне світло повністю когерентним, а контроль його поляризації — орієнтації коливань електромагнітного поля.
Це дозволило фактично «відокремити» потрібну для заплутаності властивість від хаотичності сонячного світла.
Заплутаність підтвердив тест Белла
Експеримент показав, що отриманий квантовий стан приблизно на 94% відповідав ідеальному заплутаному стану. Крім того, фотони продемонстрували порушення нерівності Белла — одного з ключових експериментальних критеріїв, який свідчить про квантове, а не класичне походження їхніх кореляцій.
Це важливий момент: вчені не просто отримали незвичайну кореляцію між фотонами, а експериментально підтвердили саме квантову природу цього зв’язку.
Чому це може змінити квантові технології
Найцікавіше застосування може бути пов’язане з космосом.
Супутники потенційно зможуть використовувати сонячне світло для генерації заплутаних фотонів і створення захищених ключів шифрування, не встановлюючи на борту потужні лазери та частину допоміжного обладнання.
Це особливо цікаво для систем, де маса, енергоспоживання та складність апаратури мають критичне значення.
У перспективі подібний підхід також може допомогти масштабувати фотонні квантові технології без пропорційного збільшення енергетичних витрат.
Але до «квантового пристрою на сонячній батареї» ще далеко
Дослідники поки не створили готовий компактний пристрій, який можна встановити на супутник або використовувати в польових умовах.
Йдеться про proof-of-principle — демонстрацію принципової працездатності концепції. Наступні завдання полягають у збільшенні яскравості джерела заплутаних фотонів та покращенні якості заплутаності.
Тобто сонячне світло поки не замінює лазери у квантових системах. Однак експеримент показав, що сама вимога високої когерентності світла для створення заплутаності не є настільки фундаментальною, як вважалося.
Цікавий факт
Команда використовувала сонячний концентратор, який збирав світло великою лінзою Френеля, а потім спрямовував його в оптичне волокно приблизно завтовшки з людську волосину. Саме так величезний і «хаотичний» потік сонячного світла вдалося підготувати для роботи з крихітним нелінійним кристалом.
Чому це важливо
Відкриття змінює уявлення про те, яке світло можна використовувати як джерело квантових ресурсів. Якщо технологію вдасться зробити ефективнішою та компактнішою, сонячне світло може стати дешевим природним джерелом для квантової оптики — від супутникового зв’язку до сенсорів і майбутніх квантових систем.
Наукова робота Cheng Li та співавторів «Generating quantum entanglement from sunlight» опублікована в Optica, 2026, DOI: 10.1364/OPTICA.601797.
