阳光也能产生量子纠缠，无需激光

相关成果发表于《Optica》，这是Optica出版集团面向高影响力研究的期刊。加拿大渥太华大学应届毕业生李成表示，量子纠缠对安全通信、超高精度传感和高性能计算等应用至关重要；该工作表明丰富的自然光源可用于产生量子纠缠，可能推动更节能、更普及的量子技术。研究发现，在考虑入射光带宽差异后，太阳光能够产生与激光技术相当的量子纠缠。成果结合了渥太华大学罗伯特·博伊德团队的理论工作，以及德国马克斯·普朗克光子科学研究所哈涅·法塔希团队研制的新型太阳能聚光器。论文第一作者李成说，这项技术未来可能让卫星利用太空中充足的阳光产生安全加密密钥，减少星载激光器和配套硬件需求；阳光驱动产生纠缠还可能为量子计算规模化提供关键资源，同时不增加能源负担。长期以来，科学家认为产生光子纠缠所需强关联必须依靠相干光：相干光中波峰波谷有序同步，激光常被使用。但博伊德团队此前已预测并实验证明非相干光也可产生量子纠缠，例如用LED产生偏振纠缠光子，说明光在传播方向等某些特征上无序时，仍可在偏振等另一些特征上形成纠缠。新研究进一步用太阳光替代LED，挑战更大，因为阳光向许多方向散射且包含宽光谱。为产生纠缠光子，研究人员采用自发参数下转换（SPDC）：泵浦光进入非线性晶体后，单个光子可分裂成一对，进而形成量子纠缠。团队不用激光泵浦，而用经过强偏振但空间和时间仍高度非相干的太阳光作为泵浦。尽管不同颜色光子沿不同路径传播，整体光场在振荡方向上保持一致。实验设计使颜色和传播方向差异不影响光子偏振；若纠缠只存在于偏振中，则主要取决于泵浦光振荡方向的有序性，而非方向或颜色，因此可从高度非相干阳光中获得高质量偏振纠缠。另一难点是把足够阳光汇聚到约一毫米大小的非线性晶体上。法塔希团队设计全玻璃太阳能聚光器，用约家用窗大小的菲涅尔透镜收集阳光，再将光导入约人发粗细的光纤，把聚光后的阳光导向晶体。马克斯·普朗克光子科学研究所户外实验同时检验理论和聚光器，使用量子态层析分析结果显示，阳光产生的纠缠与完全纠缠态相似度约94%。团队还发现光子相关违反贝尔不等式，这类关联不能用经典物理解释，是真正量子纠缠产生的证据。原理验证成功后，研究人员正推进可在实验室外使用的系统，重点是提高亮度和进一步改善纠缠质量。实验虽基于自发参数下转换，但团队认为该思路也可能适用于四波混频等其他非线性光学技术，从而为量子光子学开辟更多可能。李成说，项目起初反复遭到质疑，一些知名研究者甚至怀疑阳光驱动非线性光学过程能否探测到任何光子，更不用说纠缠光子；他们依靠计算并持续改进实验，最终证明可行。