Физики сумели получить связанные фотоны из солнечного света
Пары коррелированных или запутанных фотонов — это фундаментальный ресурс квантовой оптики. Чаще всего их получают с помощью спонтанного параметрического рассеяния (СПР) — нелинейно-оптического процесса, который обычно требует стабильного когерентного лазера для накачки нелинейного кристалла. Из-за этого долго считалось, что без лабораторных лазеров СПР невозможно.
Недавние исследования показали, что полностью когерентный свет — не обязательное условие. Частично когерентные источники тоже способны запускать СПР, причем их когерентные свойства передаются рождающимся фотонным парам. Вполне закономерно предположить, что для генерации коррелированных фотонных пар можно воспользоваться самым доступным источником излучения — солнечным светом.
До сих пор это считалось практически невозможным: солнечный свет нестабилен по своей природе — его интенсивность, угол падения и положение непрерывно меняются, что мешает точной подсветке и регистрации фотонов, необходимых в экспериментах по СПР. В Сямэньском университете все эти сложности преодолели.
Экспериментальная установка, в которой солнечный свет служит единственным источником накачки для СПР, описана в журнале Advanced Photonics. Она состоит из устройства автоматического слежения за Солнцем, похожего на телескоп с экваториальной монтировкой, 20-метрового пластикового многомодового оптического волокна и нелинейного кристалла — периодически поляризованного титанилфосфата калия (PPKTP).
Из собранного на улице и проведенного в темную лабораторию солнечного света установка успешно генерирует фотонные пары с сильной пространственной корреляцией. Работоспособность метода проверили, использовав эти пары для призрачной визуализации, при которой изображение восстанавливается не путем прямого пространственного детектирования, а за счет коррелированных фотонов.
Система на солнечной энергии обеспечила видимость фантомного изображения на уровне 90,7%, что сопоставимо с 95,5%, достигнутыми при применении лазера с длиной волны 405 нм и той же мощностью накачки.
Исследователи восстановили также более сложное двумерное изображение — «призрачное лицо» — продемонстрировав, что метод работает и для детальных пространственных структур. Широкий спектр солнечного света обеспечивает квазифазовый синхронизм в нелинейном кристалле и приводит к рождению большого числа пространственно-коррелированных фотонных пар. Накопление данных за длительное время позволяет улучшить отношение сигнал/шум и контраст/шум, что подтверждает стабильную работу системы, несмотря на изменчивость солнечного источника.
Эта работа стала первым экспериментальным доказательством возможности СПР с накачкой солнечным светом и его применения для призрачной визуализации. Полностью пассивные источники связанных фотонов будут полезны в условиях, где нет возможности использовать лазер, в силу, например, дефицита энергии. Такие системы могут быть особенно востребованы в космических или удаленных приложениях, связанных с квантовой визуализацией и квантовой информацией.
