Wissenschaftler erzeugen Quantenverschränkung mit Sonnenlicht statt Lasern

Forscher der University of Ottawa und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts haben erstmals demonstriert, dass natürliches Sonnenlicht quantenverschränkte Photonen erzeugen kann. Damit entfällt die Notwendigkeit für stromhungrige Laser, die lange Zeit als unverzichtbar für die Erzeugung dieses Grundpfeilers der Quantentechnologie galten.

Die Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift Optica veröffentlicht wurden, zeigen, dass der durch Sonnenlicht erzeugte verschränkte Zustand eine Übereinstimmung von etwa 94 Prozent mit einem perfekt verschränkten Zustand erreichte und die Bellsche Ungleichung verletzte, den Standardtest zur Unterscheidung von Quantenverschränkung und klassischen Korrelationen.bioengineer+1

Wie Sonnenlicht Laser ersetzt

Das Experiment basiert auf der spontanen parametrischen Abwärtskonvertierung (SPDC), einem Prozess, bei dem ein Pumpphoton in einen nichtlinearen Kristall eintritt und gelegentlich in ein Paar verschränkter Photonen niedrigerer Energie zerfällt. Traditionell liefern Laser den Pumpstrahl, da ihre schmale Bandbreite und Kohärenz den Prozess leichter kontrollierbar machen. Sonnenlicht hingegen enthält ein breites Spektrum an Farben und trifft aus vielen Richtungen mit geringer Kohärenz ein.

Die entscheidende theoretische Erkenntnis, so der Erstautor Cheng Li, ein Absolvent der University of Ottawa, war, dass die Polarisationsverschränkung nur von der Ordnung in der Schwingungsrichtung des Lichts abhängt, nicht von dessen Farbe oder räumlicher Kohärenz. Wir haben unseren Versuchsaufbau so konzipiert, dass die durch unterschiedliche Farben und Ausbreitungsrichtungen eingeführten Unterschiede die Polarisation der Photonen nicht beeinflussten, erklärte Li in einer Pressemitteilung, über die Interesting Engineering berichtete.interestingengineering

Die Bündelung von Sonnenlicht auf einen millimetergroßen Kristall stellte eine große technische Herausforderung dar. Das Team verwendete einen Solarkonzentrator, der von Hanieh Fattahi am Max-Planck-Institut entwickelt wurde. Dieser nutzt eine Fresnel-Linse in Fenstergröße und einen Glaskegel, um das Licht in eine optische Faser von der Breite eines menschlichen Haares zu komprimieren. Das Außerexperiment wurde am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen durchgeführt.bioengineer+1

Auswirkungen auf Raumfahrt und Energie

Die Demonstration ebnet den Weg für Quantenkommunikationssysteme, die keine bordeigenen Laser oder die damit verbundenen Stromversorgungen und Kühlsysteme benötigen. Satelliten empfangen bereits intensives, ununterbrochenes Sonnenlicht, was sie zu natürlichen Kandidaten für diesen Ansatz macht.

Diese Technologie könnte es Satelliten eines Tages ermöglichen, sichere Verschlüsselungsschlüssel unter Verwendung des im Weltraum reichlich vorhandenen Sonnenlichts zu erstellen, wodurch der Bedarf an bordeigenen Lasern und einem Großteil der unterstützenden Hardware reduziert wird, sagte Li. Das Konzept könnte auch den Energieaufwand bei der Skalierung von Quantencomputer- und Sensorsystemen verringern.interestingengineering+1

Die Forscher betonen, dass es sich bei der Arbeit noch um einen Machbarkeitsnachweis handelt. Verbesserungen bei Helligkeit, Stabilität und Verschränkungsqualität sind erforderlich, bevor ein praxistaugliches Gerät für den Feldeinsatz entwickelt werden kann. Die Erzeugungsraten erreichten etwa 1.600 verschränkte Paare pro Sekunde und Milliwatt Pumpleistung, was laut Quantum Zeitgeist mit lasergepumpter SPDC vergleichbar ist, wenn man sie auf die effektive Phasenanpassungsbandbreite normalisiert. Das Team gibt an, dass der Ansatz auf andere nichtlineare optische Prozesse ausgeweitet werden könnte, was darauf hindeutet, dass Lichtquellen, die einst als zu ungeordnet für Quantenexperimente abgetan wurden, zu praktischen Quantenressourcen werden könnten.bioengineer+1