Солнечный свет научились использовать для квантовой визуализации. Лазер больше не нужен

Квантовая оптика десятилетиями зависела от лазеров. Мощный, стабильный, когерентный луч считался обязательным условием для получения коррелированных фотонных пар — основного инструмента квантовых технологий. Исследователи из Сямэньского университета в Китае доказали, что это не так. Обычный солнечный свет, пропущенный через систему слежения и оптическое волокно, создаёт те же квантовые эффекты.

Проблема была в нестабильности солнечного света. Он меняет яркость, направление и спектр в течение дня. Команда под руководством Вухонга Чжана и Лисян Чэня построила автоматическую систему слежения — устройство, непрерывно поворачивающееся вслед за Солнцем. Свет направляется в 20-метровое пластиковое многомодовое оптическое волокно, которое проводит его в тёмную лабораторию. Там он попадает в нелинейный кристалл из титанил-фосфата калия.

Внутри кристалла происходит спонтанное параметрическое рассеяние — процесс, при котором один фотон превращается в два, связанных квантовыми корреляциями. Раньше для этого требовался мощный лазер. Солнечный свет сработал без него.

Для проверки системы исследователи использовали метод «призрачной визуализации». Изображение восстанавливается не прямым наблюдением, а через корреляции между фотонами. Качество изображения, полученного на солнечном свете, составило 90,7 процента от теоретического максимума. Для сравнения: лазерный источник при той же мощности даёт 95,5 процента.

Учёные восстановили не только изображение двойной щели, но и более сложное двумерное изображение — человеческое лицо. Солнечный свет справился и с этой задачей. Широкий спектр солнечного излучения помогает поддерживать квазифазовое согласование в кристалле. Длительное накопление данных компенсирует естественные флуктуации яркости.

Эксперимент впервые показал, что квантовые корреляции можно получать из полностью пассивного источника, не требующего электричества. Технология может найти применение в удалённых районах, где нет доступа к сети, или в космических аппаратах, где каждый ватт на счету.

Вопрос, который остаётся за рамками этого исследования: если солнечный свет способен на то, для чего раньше требовались сложные лазерные установки, то какие ещё квантовые эффекты можно получить из природных источников? Солнце не стабильно, не управляемо и не настраивается под эксперимент. Но оно работает. Это значит, что наши представления о том, какие условия необходимы для квантовых явлений, могут быть неполными. Что ещё мы считали невозможным без лазера — и ошибались? И сколько таких «невозможных» явлений происходят вокруг нас каждый день, просто никто не догадался их измерить?