Τα συσχετιζόμενα και μπερδεμένα ζεύγη φωτονίων είναι απαραίτητα εργαλεία στην κβαντική οπτική. Οι επιστήμονες συνήθως δημιουργούν αυτά τα ζεύγη φωτονίων μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αυθόρμητη παραμετρική καθοδική μετατροπή (SPDC), στην οποία ένα ισχυρό, εξαιρετικά σταθερό λέιζερ εκπέμπεται σε έναν μη γραμμικό κρύσταλλο. Επειδή το SPDC βασίζεται τόσο πολύ στο συνεκτικό φως λέιζερ, οι ερευνητές θεωρούν εδώ και καιρό την τεχνική μη πρακτική εκτός ενός προσεκτικά ελεγχόμενου εργαστηριακού περιβάλλοντος.
Πιο πρόσφατα, μελέτες έχουν δείξει ότι τα SPDC δεν απαιτούν τέλεια συνεκτικό φως για να λειτουργήσουν. Ακόμη και μερικώς συνεκτικές πηγές φωτός μπορούν να παράγουν συσχετισμένα ζεύγη φωτονίων, ενώ μεταφέρουν μερικές από τις δικές τους συνεκτικές ιδιότητες στα φωτόνια που δημιουργούνται. Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε τους ερευνητές να κάνουν μια ενδιαφέρουσα ερώτηση: Μπορεί το ίδιο το ηλιακό φως να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία συσχετισμένων ζευγών φωτονίων;
Χρήση ηλιακού φωτός για κβαντική οπτική
Η μετατροπή του ηλιακού φωτός σε χρησιμοποιήσιμη πηγή SPDC συνοδεύεται από μεγάλα εμπόδια. Το ηλιακό φως που φτάνει στη Γη παρουσιάζει διαρκώς διακυμάνσεις σε φωτεινότητα, κατεύθυνση και θέση, καθιστώντας δύσκολη τη διατήρηση της ακριβούς ευθυγράμμισης που απαιτείται για τα πειράματα SPDC και την ανίχνευση φωτονίων.
Ταυτόχρονα, το ηλιακό φως παρέχει ένα σημαντικό όφελος. Σε αντίθεση με τα λέιζερ, δεν απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια ή πολύπλοκο εργαστηριακό εξοπλισμό. Ένα σύστημα που βασίζεται στο ηλιακό φως θα μπορούσε ενδεχομένως να λειτουργήσει σε απομακρυσμένες τοποθεσίες ή ακόμα και σε χώρο όπου τα παραδοσιακά συστήματα λέιζερ θα ήταν ανέφικτα.
Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τους Wuhong Zhang και Lixiang Chen του Πανεπιστημίου Xiamen έχει πλέον επιδείξει μια αποτελεσματική λύση. γραμμένο σε Προηγμένη φωτονικήΟι επιστήμονες περιγράφουν μια πειραματική διάταξη που χρησιμοποιεί το ηλιακό φως ως μοναδική πηγή αντλίας για τα SPDC.
Το σύστημά τους αποτελείται από μια αυτόματη συσκευή παρακολούθησης του ήλιου παρόμοια με μια βάση ισημερινού τηλεσκοπίου. Ο ιχνηλάτης ακολουθεί τον ήλιο όλη την ημέρα και κατευθύνει το ηλιακό φως σε 20 μέτρα πλαστικής πολυτροπικής οπτικής ίνας. Η ίνα μεταφέρει το φως σε ένα σκοτεινό εσωτερικό εργαστήριο, όπου αντλεί περιοδικά μη γραμμικούς κρυστάλλους τιτανυλοφωσφορικού καλίου (PPKTP).
Το ηλιακό φως δημιουργεί επιτυχώς συσχετισμένα ζεύγη φωτονίων
Παρά την αστάθεια του φυσικού ηλιακού φωτός, η εγκατάσταση δημιούργησε με επιτυχία ζεύγη φωτονίων με ισχυρή συσχέτιση θέσης. Για να δοκιμάσουν το σύστημα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ζεύγη φωτονίων για απεικόνιση φαντασμάτων, μια τεχνική κβαντικής απεικόνισης στην οποία οι εικόνες ανακατασκευάζονται χρησιμοποιώντας συσχετισμένα φωτόνια αντί για άμεση χωρική ανίχνευση.
Το σύστημα που τροφοδοτείται από το ηλιακό φως πέτυχε ορατότητα απεικόνισης φαντασμάτων 90,7%, κοντά στο 95,5 τοις εκατό ορατότητας που παράγεται από ένα τυπικό λέιζερ 405 nm που λειτουργεί με την ίδια ισχύ αντλίας.
Πέρα από την απλή απεικόνιση διπλής σχισμής, οι ερευνητές έχουν ανακατασκευάσει πιο λεπτομερείς δισδιάστατες εικόνες που περιγράφονται ως «πρόσωπα φαντασμάτων». Το αποτέλεσμα έδειξε ότι το σύστημα που τροφοδοτείται από το ηλιακό φως μπορούσε να χειριστεί πιο περίπλοκα χωρικά μοτίβα.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το ευρύ φάσμα του ηλιακού φωτός ευνοεί το ταίριασμα σχεδόν φάσεων μέσα στον μη γραμμικό κρύσταλλο, επιτρέποντας την παραγωγή μεγάλου αριθμού ζευγών φωτονίων που συσχετίζονται με τη θέση. Συλλέγοντας δεδομένα για εκτεταμένες χρονικές περιόδους, η ομάδα βελτίωσε τόσο τις αναλογίες σήματος προς θόρυβο όσο και αντίθεσης προς θόρυβο, δείχνοντας ότι το σύστημα μπορεί να διατηρήσει σταθερή απόδοση παρά τις φυσικές διακυμάνσεις στο ηλιακό φως.
Ένα πλήρως παθητικό σύστημα κβαντικής απεικόνισης
Το πείραμα σηματοδοτεί την πρώτη επιτυχημένη επίδειξη SPDC που αντλείται από ηλιακό φως σε συνδυασμό με απεικόνιση φαντασμάτων. Εξαλείφοντας την ανάγκη για λέιζερ και εξωτερική ηλεκτρική ενέργεια, το σύστημα δημιουργεί μια εντελώς παθητική πηγή συσχετιζόμενων ζευγών φωτονίων.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμη για μελλοντικά συστήματα κβαντικής απεικόνισης και κβαντικών πληροφοριών που χρησιμοποιούνται σε απομακρυσμένα περιβάλλοντα ή εφαρμογές που βασίζονται στο διάστημα.
Σημείωσαν επίσης ότι οι πρόοδοι στις μεθόδους συλλογής ηλιακού φωτός, μηχανικής κρυστάλλων και ανακατασκευής εικόνας, συμπεριλαμβανομένης της συμπιεσμένης ανίχνευσης και της μηχανικής μάθησης, θα μπορούσαν να βελτιώσουν περαιτέρω την ποιότητα της εικόνας και την ταχύτητα απεικόνισης, βοηθώντας παράλληλα να φέρει την τεχνολογία πιο κοντά στην πρακτική χρήση του πραγματικού κόσμου.
