如今的许多量子技术依赖于强大的激光，消耗大量能量。随着这些系统变得越来越大和普遍，它们的电力需求可能会成为日益关注的问题。研究人员现在展示了一种惊人的替代方案：阳光本身可以用来生成光子之间的量子纠缠。来自加拿大渥太华大学的最近毕业生李诚表示：“量子纠缠对于安全通信、超精确传感和高性能计算等应用至关重要。我们的研究表明，丰富的自然光源可以用于量子纠缠，开启了更节能和可获取的量子技术的可能性。”这项研究的成果发表在高影响力研究的期刊《Optica》上，表明阳光在考虑到入射光带宽差异的情况下，能够产生与基于激光技术相当的纠缠。这个成就结合了渥太华大学罗伯特·博伊德团队的理论工作和德国马克斯·普朗克光科学研究所哈尼赫·法塔希团队创建的新型太阳能集热器。“这项技术未来可能使卫星能够利用太空中充足的阳光创建安全的加密密钥，从而减少对机载激光和许多支持硬件的需求，”论文的第一作者李说。“以阳光驱动的纠缠生成也可能提供扩大量子计算所需的关键成分，而不增加能量负担。” 困扰量子光的假设 科学家们通常认为，产生光子纠缠所需的强相关性需要相干光。在相干光中，波保持同步，使它们的峰和谷遵循可预测的模式。激光因其产生高度相干且集中在单一颜色的光而常用于此目的。博伊德团队早期的研究开始挑战这一假设。研究人员理论预测并实验验证，不相干光也可以产生量子纠缠。在这些实验中，他们使用LED（一种不相干光源）来生成偏振纠缠光子。这些结果确立了一个重要原理：光在一个特征上可以是无序的，例如传播方向，而仍然通过另一个特征（例如偏振）生成纠缠光子。新工作更进一步，通过用阳光替代LED。阳光带来了更大的挑战，因为它向多个方向扩散，并包含广泛的颜色光谱。 用阳光生成纠缠光子 为了生成纠缠光子，研究人员依靠自发参量下转换（SPDC）。在这一成熟的光学过程中，一个泵浦光束进入一个非线性晶体，单个光子可以分裂成对并可能变得量子纠缠。该团队没有使用传统的激光泵，而是用阳光供能。阳光在保持高度不相干的同时被强烈偏振。尽管它包含沿着多条不同路径传播的不同颜色光子，但其整体光场仍在同一方向上振荡。“我们设计了实验设置，以确保不同颜色和传播方向引入的差异不会影响光子的偏振，”李说。“正如我们的理论所预测的那样，如果纠缠仅存在于偏振中，则它应该只依赖于泵浦光的振荡方向的有序性，而与其方向或颜色无关。这使我们能够从高度空间和时间不相干的阳光中产生高质量的偏振纠缠。” 将足够的阳光引导到极小的非线性晶体上是另一个主要障碍。该晶体的大小仅约为一毫米，使普通的收集阳光方法不切实际。法塔希团队在马克斯·普朗克研究所通过设计一个全玻璃太阳能集热器来解决这一问题。该锥形系统通过一个与家庭窗户大小相似的菲涅尔透镜收集阳光，并将该光引导到一个与人类头发粗细相仿的光纤中。集中后的阳光可以引导到负责产生纠缠光子的微小非线性晶体上。 阳光产生强烈的量子纠缠 研究人员在马克斯·普朗克研究所进行的户外实验中测试了他们的理论预测和新集热器。通过量子态层析分析他们的量子态，并发现使用阳光产生的纠缠与完美纠缠态的相似度约为94%。团队还发现光子显示出违反贝尔不等式的相关性。