Квантовые эксперименты обычно выглядят как торжество искусственной среды над природной: стабилизированные лаборатории, точно настроенные лазеры, охлаждение, изоляция от внешнего мира. Чем тоньше эффект, тем тщательнее приходится избавляться от всего случайного.

Именно поэтому новый эксперимент исследователей из Университета Оттавы и Института науки о свете Общества Макса Планка выглядит почти парадоксально. Они взяли один из самых неупорядоченных источников света, который только можно представить, — Солнце — и с его помощью получили квантово-запутанные фотоны.

Работа опубликована в журнале Optica.

Квантовая запутанность означает, что состояния двух частиц оказываются связаны между собой сильнее, чем это допускает классическая физика. В данном случае речь идёт о поляризации фотонов. Такие пары используются как один из базовых ресурсов квантовой связи, квантовых измерений и фотонных квантовых вычислений.

Обычно их получают с помощью лазера.

Луч лазера направляют на нелинейный кристалл, где один фотон с определённой вероятностью преобразуется в два фотона меньшей энергии. Этот процесс называется спонтанным параметрическим рассеянием вниз — SPDC. При правильно устроенном эксперименте родившаяся пара оказывается запутанной.

Лазер для этого казался почти естественным и незаменимым инструментом: его свет хорошо организован. Волны обладают высокой когерентностью — проще говоря, между ними существует очень точно определённая связь.

Солнечный свет устроен совсем иначе. Он содержит огромный диапазон частот, фотоны приходят с разных направлений, а их фазы не синхронизированы. Поэтому долгое время предполагалось, что для подобных квантовых процессов он просто слишком «хаотичен».

Но здесь и оказалось спрятано важное различие.

Свет может быть неупорядоченным по одному параметру и достаточно упорядоченным по другому. Пространственная, временная и поляризационная когерентность — не одно и то же.

Исследователи построили систему так, чтобы беспорядок солнечного света в частотах и направлениях распространения не разрушал то свойство, которое им было нужно, — запутанность поляризаций рождающихся фотонов.

Оставалась вполне земная инженерная проблема: солнечный свет нужно было каким-то образом собрать и направить на кристалл размером примерно с миллиметр.

Команда Хание Фаттахи в Институте Макса Планка разработала стеклянный концентратор. Свет собирали линзой Френеля размером примерно с домашнее окно, затем концентрировали и направляли в оптическое волокно толщиной примерно с человеческий волос, а уже оттуда — на нелинейный кристалл. Сам эксперимент проводился на открытом воздухе в Эрлангене.

Результат оказался значительно лучше, чем можно было ожидать от красивой демонстрации принципа.

Полученное состояние имело около 94% соответствия идеальному запутанному состоянию. Значение параметра в тесте Белла составило около 2,54, тогда как классический предел равен 2. Иными словами, наблюдаемую корреляцию нельзя объяснить обычной классической моделью: эксперимент действительно продемонстрировал квантовую запутанность.

Причём после поправки на спектральную ширину источника скорость генерации пар оказалась сопоставима с лазерными установками такого типа.

Это пока не означает, что солнечная батарея завтра исчезнет со спутника, а вместо лазера достаточно будет открыть окно.

Эксперимент — доказательство принципиальной возможности. Исследователям ещё предстоит увеличить яркость источника, повысить качество запутанности и превратить лабораторно-полевую установку в устойчивую работающую систему.

Но потенциальное применение особенно интересно именно в космосе.

Сегодня квантовому устройству на спутнике сначала требуется получить электричество — например, от солнечных батарей, — затем использовать эту энергию для питания лазера и только после этого создавать необходимые квантовые состояния света. Если часть этой цепочки удастся исключить и использовать солнечный свет непосредственно, оборудование может стать проще, легче и энергетически экономичнее.

Авторы рассматривают подобные системы как возможный элемент будущей спутниковой квантовой связи, межпланетных миссий и автономных устройств, работающих там, где энергетические ресурсы ограничены.

Но, пожалуй, самое интересное в этой работе даже не предполагаемая экономия энергии.

На протяжении десятилетий лазер казался необходимым не просто потому, что так удобнее инженерам, а потому, что сама природа квантового процесса вроде бы требовала очень хорошо организованного света.

Оказалось, что требование было сформулировано слишком широко.

Чтобы получить порядок, не всегда нужно сначала уничтожить весь беспорядок.

Иногда достаточно понять, какой именно порядок нам нужен.

И тогда выясняется, что источник, который казался слишком шумным и хаотичным для квантовой технологии, светил над лабораторией всё это время.