彼らは太陽も量子物理学を行うことができることを発見しました

何十年もの間、量子物理学の研究室は、ほぼ避けられない主役であるレーザーを共有してきました。完全に秩序正しく同期したその光は、宇宙で最も奇妙な現象の 1 つである量子もつれを生成するために不可欠な要素であるように見えました。今、 実験によると、自然には驚きが待っていることがわかりました。 混沌として変化する太陽光も、絡み合った粒子を生成する可能性があります。

この発見は、光学は、量子光学の最も根深い考え方の 1 つに疑問を投げかけ、よりシンプルでエネルギー効率の高い量子技術への扉を開きます。著者らを中心に、オタワ大学のチェン・リー氏は、私彼らは、従来のレーザービームに頼らず、集中した太陽光のみを使用してもつれ光子を生成することに成功しました。。

「量子もつれは、安全な通信、超高精度センサー、量子コンピューティングなどのアプリケーションの基礎です – と Li 氏は説明します。 豊富で無料の自然光源もそれを生成するために使用できることを示していますこれにより、これらのテクノロジーがより利用しやすくなり、エネルギー効率が向上する可能性があります。」

もつれは、量子力学で説明される最も不可解な現象の 1 つです。 2 つの粒子が絡み合うと、それらの特性は古典物理学では説明できない形で相関したままになります。たとえ遠く離れていても、一方を測定することでもう一方の状態を瞬時に知ることができます。 アルバート・アインシュタインはこのアイデアを「遠くから見た幽霊のような行動」と呼んだ、もっと伝統的な説明があるに違いないと確信しました。しかし、数十年にわたる実験により、もつれが現実の現象であることが確認され、今日では量子技術の柱の 1 つを構成しています。

これまでレーザーを使用する理由は非常に単純でした。レーザーは非常に規則正しい光を生成するからです。レーザー波は、足並みを揃えて行進する群衆のように、山と谷が完全に揃って同期して進みます。このコヒーレンスは、もつれた光子のペアを生成するために不可欠であると考えられました。一方、太陽光はほぼ反対の極端な状態を表します。 それは何百万もの異なる色で構成されており、さまざまな方向から来ています。物理的に言えば、それは非常に一貫性のない情報源です。

長い間、この明らかな障害により絡み合いの発生が妨げられると考えられていました。しかし、新しい研究は、自然ははるかに「寛容」であることを示しています。研究の鍵となるのは、 すべての光が完全に組織化される必要はないことを示します。そのプロパティの 1 つで十分です。この場合は偏光です。。

これを理解するには、スタジアムから去っていく群衆を想像してみましょう。人はそれぞれ異なる速度で歩き、異なる通りを通り、異なる色の服を着ています。すべてが混沌としているように見えます。ただし、それらがすべて保持されていた場合、 傘が全く同じ方向を向いていれば、その無秩序の中に共通のパターンが隠れているでしょう。まさにそれがリー氏のチームが発見したことだ。

「色や伝播方向の違いによる違いが光子の偏光に影響を与えないように実験を設計しました」とリー氏は付け加えた。「私たちの理論が予測しているように、 もつれが偏光のみに存在する場合、たとえ残りの光が完全に支離滅裂であっても、その特性が秩序を保っていることだけが重要です。

次の課題はエンジニアリングでした。通常、もつれ光子が生成される非線形結晶のサイズはわずか数ミリメートルです。代わりに、太陽光は空にある見かけの 0.5 度の円盤から散乱して届きます。この問題を解決するために、マックスプランク光科学研究所のチームは、全ガラス製の集光器を設計しました。これは大型のフレネルレンズで、サイズは次のとおりです。 従来の窓で太陽放射を収集し、人間の髪の毛と同じくらい細い光ファイバー内に集中させます。。そのファイバーは最終的に光を小さな結晶に導き、そこで量子プロセスが起こりました。

このおかげで、リー氏のチームは光子のペアを生成することに成功しただけでなく、それらが本当にもつれていることも実証した。量子トモグラフィーを使用して、彼らは次のことを検証しました 得られた状態は、理想的な量子状態に対して 94% の忠実度に達しました。。さらに、観察された相関は、現象が古典物理学では説明できないことを証明する最も強力な基準の 1 つであるベルの不等式に違反しました。言い換えれば、太陽光によって生成された光子は、明確に量子的な振る舞いを示しました。

これはまだ実験的なデモンストレーションですが、潜在的なアプリケーションは数多くあります。 この研究では、例えば、太陽光を利用するだけで量子暗号鍵を生成できる衛星が指摘されている。、エネルギー消費を削減し、現在の設計に必要な複雑なレーザーシステムの大部分を排除します。

「このプロジェクトが始まって以来、多くの同僚は、絡み合った光子どころか、太陽光を使って単一の光子さえも検出できるのではないかと疑っていました」とリー氏は振り返る。「しかし、私たちは自分たちの計算には自信があり、実験を改良し続けました。 私たちはついにそれが可能であることを示しました”。

しかし、おそらく最も重要な結果は技術的なものではなく、概念的なものです。何十年もの間、もつれには完全に秩序だった光が必要であると信じられていました。この研究は、一見した混沌の中に隠された小さな秩序のパターンを保存するだけで十分であることを示しています。自然は、私たちが想像していたよりもはるかに厳しくないことが再び判明しました。そしてそれは、さえ 太陽から 1 億 5,000 万キロメートル離れた光は、地球に到達すると、最も洗練されたテクノロジーの原料となる可能性があります。 人間が考え出したもの。