今日許多量子技術依賴耗費大量能源的強大雷射。隨著這些系統日益龐大且普及，其電力需求可能成為日益嚴重的問題。研究人員現已展示一個令人矚目的替代方案：陽光本身可用於在光子之間產生量子糾纏。
「量子糾纏對於安全通訊、超精準感測和高效能運算等應用至關重要，」加拿大渥大大學近期畢業生程力（Cheng Li）表示。「我們的研究顯示，豐富的自然光源可用於量子糾纏，開啟了更節能且易於取得的量子技術的可能性。」
發表於《Optica》期刊（Optica Publishing Group 的高影響力研究期刊）的發現表明，在考量入射光頻寬差異後，陽光能產生與基於雷射的技術相當的糾纏。這項成就結合了渥大大學 Robert Boyd 小組的理論工作，以及德國馬克斯普朗克光科學研究所（MPL）Hanieh Fattahi 小組新開發的太陽能聚光器。
「這項技術有一天可能讓衛星利用太空中豐富的陽光來產生安全加密金鑰，從而減少對機載雷射和大部分支援硬體的依賴，」該論文第一作者程力表示。「陽光驅動的糾纏產生也可能提供擴大規模量子運算所需的關鍵要素，而不會增加能源負擔。」
挑戰關於量子光的假設
科學家傳統上認為，產生光子糾纏所需的強關聯性需要相干光。在相干光中，波保持同步，使其波峰和波谷遵循可預測的模式。雷射常用於此目的，因為它們能產生高度相干且集中於單一顏色的光。
Boyd 小組先前的一項研究開始挑戰這一假設。研究人員在理論上預測，並在實驗中證實，非相干光也能產生量子糾纏。在那些實驗中，他們使用 LED（一種非相干光源）來產生偏振糾纏光子。
這些結果確立了一個重要原則：光可以在一個特徵（例如其傳播方向）上無序，同時仍能產生在另一個特徵（例如偏振）上糾纏的光子。
這項新研究將該概念推向更遠，將 LED 替換為陽光。陽光帶來了更大的挑戰，因為它向四面八方擴散，並且包含廣泛的顏色光譜。
利用陽光產生糾纏光子
為了產生糾纏光子，研究人員依賴自發參數向下轉換（SPDC）。在這個既有的光學過程中，泵浦光束進入非線性晶體，其中的個別光子會分裂成可能產生量子糾纏的成對光子。
團隊沒有使用傳統的雷射泵浦，而是為系統提供了陽光。陽光被強烈偏振，同時在空間和時間上保持高度非相干。儘管它包含沿著許多不同路徑傳播的不同顏色光子，但其整體光場在同一方向上振盪。
「我們設計了實驗設置，使得不同顏色和傳播方向引入的差異不會影響光子的偏振，」程力說。「正如我們的理論預測，如果糾纏僅存在於偏振中，那麼它只取決於泵浦在其振盪方向上的有序性，而不取決於其方向或顏色。這使我們能夠從高度空間和時間上非相干的陽光中產生高品質的偏振糾纏。」
將足夠的陽光聚焦到極小的非線性晶體上是另一個主要障礙。該晶體尺寸僅約一毫米，使得傳統的收集陽光的方法不切實際。
MPL 的 Fattahi 小組透過設計全玻璃太陽能聚光器解決了這個問題。這個錐形系統透過一個約為家用窗戶大小的菲涅爾透鏡收集陽光，並將光導引至約人類頭髮寬度的光纖中。然後，集中的陽光可以導向產生糾纏光子的微小非線性晶體。
陽光產生強量子糾纏
研究人員在 MPL 的戶外實驗中測試了他們的理論預測和新型聚光器。他們使用量子態斷層掃描來分析產生的量子態，發現陽光產生的糾纏與完美糾纏態的相似度約為 94%。
團隊還發現，光子表現出的關聯性違反了貝爾不等式。這個結果尤其重要，因為這種關聯性無法用經典物理學來解釋，反而提供了產生了真正量子糾纏的證據。
隨著原理驗證實驗的成功完成，研究人員正致力於開發一個最終能在實驗室外使用的系統。他們的努力集中在提高亮度並進一步改善糾纏的品質。
該實驗依賴 SPDC，但研究人員表示，其基本方法也適用於其他非線性光學技術，包括四波混頻。將該概念擴展到額外的技術，可以為量子光子學創造新的可能性。
從懷疑到成功的實驗
這項結果也克服了科學界對陽光是否能實際驅動該過程的重大疑慮。
「自從這個項目開始以來，我們的想法一直面臨著反覆的懷疑和阻力，」程力說。「該領域一些世界知名的研究人員甚至質疑是否能從陽光驅動的非線性光學過程中偵測到任何光子——更不用說糾纏光子了。然而，我們相信我們的計算，持續改進實驗設置，並最終證明了這是可能的。」