Auringonvalon synnyttämä kvanttilomittuminen

Max Planck -instituutin ja Ottawan yliopiston yhteistyötutkimushankkeessa tieteilijät ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, että aiemmin vallinneen tieteellisen näkemyksen vastaisesti auringonvalosta voidaan tuottaa lomittuneita fotoneja.

Optiikassa "koherenssi" ei ole yksittäinen ominaisuus. Valoa voidaan kuvata useilla määritellyillä fysikaalisilla parametreilla eli vapausasteilla. Siten valo voi toimia säännöllisesti yhdessä vapausasteessa ja pysyä epäjärjestyksessä toisessa. Esimerkiksi säde voi olla täydellisesti polarisoitu, mutta täysin epäkoherentti avaruudessa ja ajassa.

Perinteisen lomittumistekniikan SPDC:ssä pumpun epäkoherenssi yhdessä vapausasteessa rajoittaa lomittumista vain samassa vapausasteessa. Esimerkiksi paikka-liikemäärä-lomittumisen – eräänlaisen spatiaalisen lomittumisen – tiedetään häviävän, kun pumpun säde menettää spatiaalisen koherenssinsa. Tällainen suhde ei päde, kun kohdennettu lomittuminen löytyy eri vapausasteelta kuin pumpun säteen epäkoherenssi.

"Niin kauan kuin pumpun säde on täydellisesti polarisoitu, sen spatiaalisen tai ajallisen epäkoherenssin ei pitäisi estää polarisaatiolomittumisen syntymistä", sanoo tohtori Cheng Li Ottawan yliopistosta. ”Auringonvalon valjastamisen juju on estää valon eri vapausasteiden vaikuttamasta toisiinsa prosessin aikana. Tämä tarkoittaa, että auringonvalo pystyy täysin tuottamaan lomittuneita fotoneja, kunhan epälineaariseen kiteeseen voidaan keskittää riittävästi auringonvaloa SPDC:n indusoimiseksi.”

Epälineaarisen optisen kiteen kirkas aukko on tyypillisesti vain muutaman millimetrin levyinen. Jotta auringonvaloa – joka luonnollisessa ympäristössä hajaantuu suuresti – voitaisiin ohjata riittävästi tällaiselle rajatulle alueelle, tohtori Hanieh Fattahin, ryhmä rakensi auringonvalon keskitysjärjestelmän.

Tämä järjestelmä kerää valoa 1,4 neliömetrin alueelle ja kanavoi sen alas hiuksen ohueksi kuiduksi. Järjestelmän ydin on aurinkokonsentraattori. Se on lasista valmistettu kartion muotoinen laite. Kartion pohja on sijoitettu suuren Fresnel-linssin polttopisteeseen, joka on asennettu aurinkoseurantamoottoriin. Keskittynyt auringonvalo saa sitten lisää keskitystä kokonaisheijastusten kautta, kun se etenee kohti kartion kärkeä, joka kytkee auringonvalon monimuotokuituun. Kuitu voi sitten ohjata auringonvalon epälineaariseen kiteeseen, mikä aiheuttaa lomittumisen SPDC:n kautta.

”Auringonvalo on runsas ja luotettava resurssi monissa ympäristöissä, erityisesti avaruudessa. Mahdollisuus tuottaa kvanttilomittuneisia fotoneja suoraan auringonvalosta voisi mahdollistaa yksinkertaisemmat ja kestävämmät kvanttijärjestelmät satelliiteille ja tulevaisuuden syvän avaruuden lennoille”, Fattahi sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Lomittuneet fotonit keskeisenä resurssina kvanttiteknologioille

Uutta kvanttitoiminnallisuutta kvanttimateriaaleihin