Advanced Photonics: с помощью солнечного света впервые получены квантовые фотоны

Китайские ученые впервые показали, что солнечный свет можно использовать для получения коррелированных пар фотонов — ключевых элементов квантовой оптики. Ранее для этого требовались мощные и стабильные лазеры, поэтому подобные эксперименты проводили только в лабораториях. Работа опубликована в журнале Advanced Photonics.

Коррелированные и запутанные фотоны используют в квантовой связи, вычислениях и визуализации. Обычно их получают методом спонтанного параметрического рассеяния: лазер направляют в специальный нелинейный кристалл, где один фотон распадается на пару связанных фотонов. Однако ученые из Сямэньского университета под руководством Ухуна Чжана и Лисяна Чэня решили проверить, можно ли заменить лазер Солнцем.

Главная проблема заключалась в нестабильности солнечного света: яркость, направление и положение Солнца постоянно меняются, а для квантовых экспериментов требуется высокая точность.

Чтобы решить задачу, исследователи создали систему автоматического слежения, похожую на монтировку астрономического телескопа. Она непрерывно отслеживала движение Солнца и направляла свет в 20-метровое многомодовое оптоволокно.

По нему солнечный свет поступал в затемненную лабораторию, где освещал нелинейный кристалл из фосфата титанила калия, генерируя пары фотонов.

Несмотря на нестабильность естественного освещения, установка успешно создала фотоны с сильной пространственной корреляцией. Для проверки ученые использовали их в так называемой "призрачной визуализации" — методе, при котором изображение восстанавливается не прямым наблюдением объекта, а по связанным фотонам.

Качество изображения оказалось высоким: контрастность достигла 90,7%. Для сравнения, аналогичная установка с лазером на длине волны 405 нм показала результат 95,5%. Исследователям удалось не только воспроизвести простые изображения, но и собрать более сложную двумерную картину — так называемое "призрачное лицо".

Авторы считают, что технология может пригодиться для квантовых систем в удаленных районах и космосе, где использование лазеров затруднено. Кроме того, система не требует внешнего электропитания и может работать полностью пассивно.

По мнению ученых, дальнейшее развитие методов сбора солнечного света, создание новых кристаллов и применение алгоритмов машинного обучения помогут улучшить качество и скорость получения изображений.