相關聯和糾纏的光子對是量子光學中的重要工具。科學家通常透過一種稱為自發參量下轉換（SPDC）的過程來產生這些光子對，在此過程中，強大且高度穩定的雷射光照射到非線性晶體上。由於 SPDC 極度依賴相干雷射光，研究人員長期以來一直認為該技術在精心控制的實驗室環境之外並不實用。

最近的研究表明，完美的相干光實際上並非 SPDC 運作的必要條件。即使是部分相干的光源也能產生相關光子對，同時將自身的部分相干性傳遞給產生的光子。這項發現促使研究人員提出一個有趣的問題：太陽光本身是否可以用來產生相關光子對？

將太陽光轉化為可用的 SPDC 光源面臨重大障礙。到達地球的太陽光在亮度、方向和位置上不斷波動，使得維持 SPDC 實驗和光子偵測所需的精確對準變得困難。

同時，太陽光也提供了一個主要優勢。與雷射不同，它不需要電力或複雜的實驗室設備。基於太陽光的系統有可能在偏遠地區甚至太空中運行，而傳統的雷射系統可能不適用。

Xiamen University 由 Wuhong Zhang 和 Lixiang Chen 領導的研究團隊現已展示了一個可行的解決方案。科學家們在《Advanced Photonics》期刊上發表文章，描述了一種使用太陽光作為 SPDC 唯一泵浦光源的實驗設置。

他們的系統包含一個類似赤道儀望遠鏡座的自動追日裝置。該追日器全天持續追蹤太陽，並將太陽光導入一條 20 公尺長的塑膠多模光纖。光纖將光線傳輸到一個黑暗的室內實驗室，在那裡為週期性極化的磷酸鈦酰氧鉀（PPKTP）非線性晶體提供泵浦。

太陽光成功產生相關光子對

儘管自然太陽光不穩定，該設置仍成功產生了具有強烈位置相關性的光子對。為了測試該系統，研究人員使用光子對進行鬼影成像，這是一種量子成像技術，其中影像不是透過直接空間偵測，而是使用相關光子來重建。

太陽光驅動的系統達到了 90.7% 的鬼影成像可見度，接近標準 405 奈米雷射在相同泵浦功率下產生的 95.5% 可見度。

除了簡單的雙狹縫成像外，研究人員還重建了一個更詳細的二維影像，被描述為一個「鬼影臉」。結果表明，太陽光供電的系統能夠處理更複雜的空間圖案。

根據研究人員的說法，太陽光的寬光譜有助於在非線性晶體內支持準相位匹配，從而產生大量位置相關的光子對。透過長時間收集數據，該團隊提高了信噪比和對比度噪比，表明該系統儘管受到太陽光自然波動的影響，仍能保持穩定的性能。

全被動式量子成像系統

該實驗首次成功展示了太陽光泵浦的 SPDC 與鬼影成像的結合。透過無需雷射和外部電力，該系統創造了一個全被動式的相關光子對來源。

研究人員認為，這項技術對於未來在偏遠環境或太空應用中使用的量子成像和量子資訊系統可能特別有用。

他們還指出，太陽光收集、晶體工程和影像重建方法（包括壓縮感知和機器學習）的進步，可以進一步提高影像品質和成像速度，同時有助於將該技術推向實際的現實應用。