Erstmals Quantenverschränkung durch Sonnenlicht erzeugt

Verschränkte Photonen sind eine wichtige Ressource für die Quantenkommunikation, das Quantencomputing und die Quantensensorik. Solche Photonenpaare werden routinemäßig durch spontane parametrische Down-Konversion (SPDC) erzeugt. Dabei werden Photonen aus einem Pumpstrahl im Inneren eines nichtlinearen Kristalls in Paare von Tochterphotonen umgewandelt.

Jahrzehntelang galten Laser als einzige geeignete Pumpquelle für diesen Prozess, während Sonnenlicht als unbrauchbare Quelle angesehen wurde. Diese Überzeugung beruht auf zwei grundlegenden Annahmen. Erstens wurde die hohe optische Kohärenz von Lasern als unerlässlich angesehen. Optische Kohärenz beschreibt, dass die Lichtwellen in einer festen, synchronen zeitlichen oder räumlichen Beziehung zueinander stehen. Man vermutete, dass phasenstabile elektromagnetische Felder erforderlich seien, um Quantenkorrelationen durch SPDC zu erzeugen. Zweitens war man der Annahme, Laser seien die einzigen Lichtquellen, die die erforderlichen optischen Leistungsdichten liefern könnten, um nichtlineare optische Prozesse effizient anzutreiben.

Nicht­line­arer Kris­tall (M.) er­zeugt ko­hä­ren­tes Licht aus hoch­kon­zen­trier­ter Son­nen­strah­lung

Quelle: Florian Sterl & Soledad Cook, U Ottawa / MPL

Natürliches Sonnenlicht ist inkohärent und im Vergleich zu Laserlicht weitaus weniger intensiv. Aufgrund dieser Eigenschaften schlossen viele Forschende Sonnenlicht als Pumpquelle für die Erzeugung von Verschränkung aus.

In der Optik ist „Kohärenz“ keine einheitliche Eigenschaft. So kann Licht sich in einem Freiheitsgrad geordnet (kohärent) verhalten, während es in einem anderen ungeordnet (inkohärent) bleibt. Ein Strahl kann beispielsweise perfekt polarisiert sein, jedoch in Raum und Zeit inkohärent sein. Bei der SPDC begrenzt die Inkohärenz des Pumpstrahls in einem Freiheitsgrad die Verschränkung nur genau in diesem Freiheitsgrad. So ist beispielsweise bekannt, dass die Orts-Impuls-Verschrän­kung – eine Art der räumlichen Verschränkung – verschwindet, wenn der Pumpstrahl seine räumliche Kohärenz verliert. Eine solche Beziehung gilt jedoch nicht, wenn sich die betrachtete Verschränkung auf einen anderen Freiheitsgrad bezieht als denjenigen, in dem die Inkohärenz des Pumpstrahls vorliegt.

„Solange der Pumpstrahl perfekt polarisiert ist, sollte seine räumliche oder zeitliche Inkohärenz die Erzeugung von Polarisationsverschränkung nicht ausschließen“, sagt Cheng Li, Postdoc in der Gruppe von Robert Boyd an der Universität Ottawa. „Der Trick um Sonnenlicht nutzbar zu machen besteht darin, zu verhindern, dass sich verschiedene Freiheitsgrade des Lichts während des Prozesses gegenseitig beeinflussen. Das bedeutet, dass Sonnenlicht durchaus in der Lage ist, verschränkte Photonen zu erzeugen, solange man genügend Sonnenlicht in einem nichtlinearen Kristall bündeln kann, um SPDC auszulösen.“

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Verschränkung unter der Lupe

Die optisch wirksame Öffnung (freie Apertur) eines nichtlinearen optischen Kristalls beträgt typischerweise nur wenige Millimeter. Um das Sonnenlicht, welches in der natürlichen Umgebung stark divergiert, in einen derart begrenzten Bereich zu leiten, hat das Team von Hanieh Fattahi, Forschungsgruppenleiterin am MPL, ein System zur Konzentration von Sonnenlicht entwickelt. Das System sammelt Licht über eine Fläche von 1,4 Quadratmetern und koppelt es in eine optische Faser ein, die so dünn wie ein Haar ist.

Das Herzstück des Systems ist ein Solarkonzentrator, der am MPL entwickelt und hergestellt wurde. Dabei handelt sich um eine kegelförmige Vorrichtung aus Glas. Die Basis des Kegels befindet sich am Brennpunkt einer großen Fresnel-Linse, die auf einem sonnennachführenden Motor montiert ist. Das gebündelte Sonnenlicht wird dann auf seinem Weg zur Spitze des Kegels durch Totalreflexion weiter konzentriert, wodurch es in eine Multimodefaser eingekoppelt wird. Die Faser leitet das Sonnenlicht anschließend in einen nichtlinearen Kristall, um dort über SPDC die Erzeugung von Verschränkung anzutreiben.

Photonenpaare mit einem sehr hohen Verschränkungsgrad: Mit einer Fidelität von 94 % erreichten die erzeugten Quantenzustände eine Qualität, die mit lasergepumpten Quellen vergleichbar ist. Die SPDC-Photonen weisen zudem Korrelationen auf, die die Bellsche Ungleichung verletzen. Dies deutet darauf hin, dass diese Korrelationen nicht mit klassischen physikalischen Theorien modelliert werden können und tatsächlich Merkmale der Quantenverschränkung sind.

Das Team stellte zudem fest, dass die Effizienz der durch Sonnenlicht angetriebenen Verschränkungserzeugung mit der durch Laser angetriebenen gleichwertig ist, wenn die Photonenproduktionsrate relativ zur Pumpleistung und der effektiven Bandbreite des nichtlinearen Prozesses normiert wird. Diese Erkenntnis legt nahe, dass Laser gegenüber Sonnenlicht möglicherweise nicht so viele grundlegende Vorteile besitzen, wie die Wissenschaft angenommen hatte, und dass praktische, durch Sonnenlicht angetriebene Quantenlichtquellen durch technische Optimierungen – beispielsweise bei der Sonnenlichtsammlung und der Bandbreitennutzung – zunehmend realisierbar werden könnten.

Sonnenlichtbetriebene Quantenvorrichtungen bieten zudem weitere Vorteile, die Laser nicht bieten können. Das breite Spektrum des Sonnenlichts könnte den Zugang zu verschränkten Photonen über einen größeren Wellenlängenbereich ermöglichen, insbesondere dort, wo keine Laser zur Verfügung stehen. Noch wichtiger ist, dass durch den direkten Betrieb von Quantenlichtquellen mit Sonnenlicht die Umwandlung von elektrischer in optische Energie vollständig entfällt – es ist keine aktive Stabilisierung erforderlich und es entsteht weitaus weniger Abwärme, die bewältigt werden muss. Ein solches System weist weniger potenzielle Fehlerquellen auf. Diese Eigenschaft ist besonders attraktiv für den Einsatz in strategisch wichtigen, aber ressourcenarmen Umgebungen, wie Satelliten, interplanetaren Missionen und abgelegenen Regionen wie der Arktis. Ein Raumfahrzeug in einer sonnensynchronen Umlaufbahn hätte beispielsweise nahezu ununterbrochenen Zugang zu seiner Pumpquelle. [MPL / dre]