Erstmals Quantenverschränkung durch Sonnenlicht erzeugt
Wissenschaftler*innen haben nachgewiesen, dass Sonnenlicht als natürliche Lichtquelle quantenverschränkte Photonenpaare erzeugen kann. Mit ihren Ergebnissen stellt das internationale Forscherteam die seit langem geltende Annahme in Frage, dass Laser für die Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts unverzichtbar sind. Die kürzlich in Optica veröffentlichte Publikation ebnet den Weg für neue nachhaltige und energieeffiziente photonische Quantentechnologien.
Verschränkte Photonen sind Paare von Lichtteilchen, die auf eine Weise miteinander korreliert bleiben, die sich mit klassischer Physik nicht erklären lässt. Sie sind eine wichtige Ressource für die Quantenkommunikation, das Quantencomputing und die Quantensensorik. Solche Photonenpaare werden routinemäßig durch einen Prozess erzeugt, der als spontane parametrische Down-Konversion (SPDC) bezeichnet wird. Dabei werden Photonen aus einem Pumpstrahl im Inneren eines nichtlinearen Kristalls in Paare von Tochterphotonen umgewandelt.
Laser verliert sein Alleinstellungsmerkmal
Jahrzehntelang galten Laser als einzige geeignete Pumpquelle für diesen Prozess, während Sonnenlicht als unbrauchbare Quelle angesehen wurde. Diese Überzeugung beruht auf zwei grundlegenden Annahmen. Erstens wurde die hohe optische Kohärenz von Lasern als unerlässlich angesehen. Optische Kohärenz beschreibt, dass die Lichtwellen in einer festen, synchronen zeitlichen oder räumlichen Beziehung zueinanderstehen. Man vermutete, dass phasenstabile elektromagnetische Felder erforderlich seien, um Quantenkorrelationen durch SPDC zu erzeugen. Zweitens war man der Annahme, dass Laser die einzigen Lichtquellen seien, die die erforderlichen optischen Leistungsdichten liefern könnten, um nichtlineare optische Prozesse effizient anzutreiben. Natürliches Sonnenlicht ist inkohärent und im Vergleich zu Laserlicht weitaus weniger intensiv. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL), Erlangen, des Max-Planck-Zentrums für Extreme und Quantenphotonik (MPC) und der Universität Ottawa haben Wissenschaftler*innen erstmals gezeigt, dass entgegen der bislang geltenden wissenschaftlichen Meinung verschränkte Photonen aus Sonnenlicht erzeugt werden können.
Inkohärenz lässt Raum für Verschränkung
In der Optik ist „Kohärenz“ keine einheitliche Eigenschaft. Licht lässt sich durch verschiedene definierte physikalische Parameter, die sogenannten Freiheitsgrade beschreiben. So kann Licht sich in einem Freiheitsgrad geordnet (kohärent) verhalten, während es in einem anderen ungeordnet (inkohärent) bleibt.
Ein Strahl kann beispielsweise perfekt polarisiert sein, jedoch in Raum und Zeit inkohärent sein. Bei der SPDC begrenzt die Inkohärenz des Pumpstrahls in einem Freiheitsgrad die Verschränkung nur genau in diesem Freiheitsgrad. So ist beispielsweise bekannt, dass die Orts-Impuls-Verschränkung – eine Art der räumlichen Verschränkung – verschwindet, wenn der Pumpstrahl seine räumliche Kohärenz verliert. Eine solche Beziehung gilt jedoch nicht, wenn sich die betrachtete Verschränkung auf einen anderen Freiheitsgrad bezieht als denjenigen, in dem die Inkohärenz des Pumpstrahls vorliegt. „Solange der Pumpstrahl perfekt polarisiert ist, sollte seine räumliche oder zeitliche Inkohärenz die Erzeugung von Polarisationsverschränkung nicht ausschließen“, sagt Dr. Cheng Li, promovierter Wissenschaftler aus der Gruppe von Prof. Robert Boyd der Universität Ottawa. „Der Trick um Sonnenlicht nutzbar zu machen besteht darin, zu verhindern, dass sich verschiedene Freiheitsgrade des Lichts während des Prozesses gegenseitig beeinflussen. Das bedeutet, dass Sonnenlicht durchaus in der Lage ist, verschränkte Photonen zu erzeugen, solange man genügend Sonnenlicht in einem nichtlinearen Kristall bündeln kann, um SPDC auszulösen.“
Konzentrator für Sonnenlicht liefert die notwendige
Pumpleistung
Die optisch wirksame Öffnung (freie Apertur) eines nichtlinearen optischen Kristalls beträgt typischerweise nur wenige Millimeter. Um das Sonnenlicht, welches in der natürlichen Umgebung stark divergiert, in einen derart begrenzten Bereich zu leiten, hat das Team von Dr. Hanieh Fattahi, Forschungsgruppenleiterin am MPL, ein System zur Konzentration von Sonnenlicht entwickelt. Das System sammelt Licht über eine Fläche von 1,4 Quadratmetern und koppelt es in eine optische Faser ein, die so dünn wie ein menschliches Haar ist. Das Herzstück des Systems ist ein Solarkonzentrator, der am MPL entwickelt und hergestellt wurde. Dabei handelt sich um eine kegelförmige Vorrichtung aus Glas. Die Basis des Kegels befindet sich am Brennpunkt einer großen Fresnel-Linse, die auf einem sonnennachführenden Motor montiert ist. Das gebündelte Sonnenlicht wird dann auf seinem Weg zur Spitze des Kegels durch Totalreflexion weiter konzentriert, wodurch es in eine Multimode-Faser eingekoppelt wird. Die Faser leitet das Sonnenlicht anschließend in einen nichtlinearen Kristall, um dort über SPDC die Erzeugung von Verschränkung anzutreiben.
Direkte Erzeugung von Verschränkung durch Sonnenlicht
Wie das Team um Boyd vorhergesagt hatte, erzeugte das sonnenlichtgetriebene SPDC Photonenpaare mit einem sehr hohen Verschränkungsgrad: Mit einer Fidelität von 94 % erreichten die erzeugten Quantenzustände eine Qualität, die mit lasergepumpten Quellen vergleichbar ist. Die SPDC-Photonen weisen zudem Korrelationen auf, die die Bellsche Ungleichung verletzen. Dies deutet darauf hin, dass diese Korrelationen nicht mit klassischen physikalischen Theorien modelliert werden können und tatsächlich Merkmale der Quantenverschränkung sind. Das Team stellte zudem fest, dass die Effizienz der durch Sonnenlicht angetriebenen Verschränkungserzeugung mit der durch Laser angetriebenen gleichwertig ist, wenn die Photonenproduktionsrate relativ zur Pumpleistung und der effektiven Bandbreite des nichtlinearen Prozesses normiert wird. Diese Erkenntnis legt nahe, dass Laser gegenüber Sonnenlicht möglicherweise nicht so viele grundlegende Vorteile besitzen, wie die Wissenschaft angenommen hatte, und dass praktische, durch Sonnenlicht angetriebene Quantenlichtquellen durch technische Optimierungen – beispielsweise bei der Sonnenlichtsammlung und der Bandbreitennutzung – zunehmend realisierbar werden könnten.
„Sonnenlicht ist in vielen Umgebungen, insbesondere im Weltraum, eine reichlich vorhandene und zuverlässige Ressource. Die Möglichkeit, quantenverschränkte Photonen direkt aus Sonnenlicht zu erzeugen, könnte einfachere und widerstandsfähigere Quantensysteme für Satelliten und zukünftige Weltraummissionen ermöglichen“, sagt Fattahi. Sonnenlichtbetriebene Quantenvorrichtungen bieten zudem weitere Vorteile, die Laser nicht leisten können. Das breite Spektrum des Sonnenlichts könnte den Zugang zu verschränkten Photonen über einen größeren Wellenlängenbereich ermöglichen, insbesondere dort, wo keine Laser zur Verfügung stehen. Noch wichtiger ist, dass durch den direkten Betrieb von Quantenlichtquellen mit Sonnenlicht die Umwandlung von elektrischer in optische Energie vollständig entfällt – es ist keine aktive Stabilisierung erforderlich und es entsteht weitaus weniger Abwärme, die bewältigt werden muss. Ein solches System weist weniger potenzielle Fehlerquellen auf. Diese Eigenschaft ist besonders attraktiv für den Einsatz in strategisch wichtigen, aber ressourcenarmen Umgebungen, wie beispielsweise Satelliten, interplanetaren Missionen und abgelegenen Regionen wie der Arktis. Ein Raumfahrzeug in einer sonnensynchronen Umlaufbahn hätte beispielsweise nahezu ununterbrochenen Zugang zu seiner Pumpquelle.
„Das Beste an dieser Forschung ist, dass sie erst der Anfang ist“, sagt Boyd. „Neben SPDC gibt es viele andere nichtlineare optische Ansätze zur Erzeugung verschränkter Photonen – die Vierwellenmischung ist ein gutes Beispiel dafür. Für jede dieser nichtlinearen Wechselwirkungen gibt es Möglichkeiten, sie effizienter zu gestalten. Wir glauben, dass diese Arbeit viele neue Forschungsansätze in der nichtlinearen und Quantenoptik anregen kann, und diese Forschungen könnten wiederum dazu beitragen, die sonnenlichtgetriebene Quantentechnologie praxistauglicher zu machen.“
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Hanieh Fattahi
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Leiterin der Forschungsgruppe
›Femtosekunden-Feldoskopie‹
www.mpl.mpg.de / hanieh.fattahi@mpl.mpg.de
Prof. Robert W. Boyd
Max Planck Centre for Extreme and Quantum Photonics
Canadian Co-Director
University of Ottawa, Ottawa, Canada,
Full Professor at Department of Physics
https://www.uottawa.ca / rboyd@uOttawa.ca
Originalpublikation:
C. Li, J. Brar, M. Küblböck, J. Upham, H. Fattahi, R. W. Boyd,
“Generating quantum entanglement from sunlight” 13, Optica
(2026). DOI: 10.1364/OPTICA.601797
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