Güneş ışığıyla çalışan kurulum kuantum dolaşma yaratıyor

Günümüzün kuantum teknolojileri enerji yoğun lazerlere dayanıyor ve bunların ölçeğinin büyütülmesinin enerji taleplerini daha da artırabileceği endişelerini artırıyor. Yeni çalışmada araştırmacılar, fotonlar arasındaki kuantum dolaşıklığın doğrudan güneş ışığından üretilebileceğini göstererek potansiyel bir alternatif sundu.

Kanada’daki Ottawa Üniversitesi’nden yeni mezun olan Cheng Li, “Kuantum dolaşıklığı, güvenli iletişim, ultra hassas algılama ve yüksek performanslı hesaplama gibi uygulamalar için çok önemlidir” dedi. “Çalışmamız, kuantum dolaşma için bol miktarda doğal ışık kaynağının kullanılabileceğini ve enerji açısından daha verimli ve erişilebilir kuantum teknolojilerinin olasılığını ortaya çıkardığını gösteriyor.”

İçinde OptikAraştırmacılar, giriş ışığının bant genişliğindeki farklılıkları hesaba kattıktan sonra, güneş ışığını kullanarak elde ettikleri dolaşıklığın, lazer tabanlı yaklaşımlarla karşılaştırılabilir olduğunu bildiriyorlar.

Bu ilerleme, Robert Boyd’un Ottawa Üniversitesi’ndeki ekibinin teorik ilerlemelerini, Almanya’daki Max Planck Işık Bilimi Enstitüsü’ndeki (MPL) Hanieh Fattahi’nin ekibi tarafından geliştirilen yeni bir güneş yoğunlaştırıcıyla birleştirdi.

Makalenin ilk yazarı Li, “Bu teknoloji bir gün uyduların uzayda zaten bol miktarda bulunan güneş ışığını kullanarak güvenli şifreleme anahtarları oluşturmasına olanak tanıyabilir, yerleşik lazerlere ve destekleyici donanımların çoğuna olan ihtiyacı azaltabilir” dedi. “Güneş ışığına dayalı dolaşıklık üretimi, enerji yükünü artırmadan kuantum hesaplamayı ölçeklendirmek için gereken önemli bileşeni de sağlayabilir.”

Kuantum ışık kaynaklarını yeniden düşünmek

Bir süredir bilim insanları, foton dolanıklığını elde etmek için gereken güçlü korelasyonların yalnızca tutarlı ışıkla elde edilebileceğini düşünüyorlardı; bu, ışık dalgalarının senkronize kaldığı, zirveleri ve vadileri öngörülebilir bir düzende hizalanmış halde kaldığı anlamına geliyordu. Tek renkte son derece tutarlı ışık üreten lazerlerin genellikle dolaşık fotonlar oluşturmak için kullanılmasının nedeni budur.

Daha önceki çalışmalarında Boyd’un ekibi tutarsız ışığın kuantum dolanıklığa neden olabileceğini teorik olarak tahmin etmiş ve deneysel olarak gözlemlemişti. Deneylerinde polarizasyonla dolaşmış fotonlar üretmek için tutarsız ışık üreten bir LED kullanıldı.

Bu, ışığın bir özellikte (örneğin gittiği yönler gibi) düzensiz kalabildiğini, diğer yandan da polarizasyonları gibi başka bir özellikte dolaşık fotonlar ürettiğini göstererek önemli bir temel attı.

Araştırmada bildirilen Optik Kağıt, oldukça farklı olan ve geniş bir renk yelpazesini kapsayan güneş ışığını kullanarak bu fikri bir adım daha ileri taşıyor. Dolaşıklık yaratmak için araştırmacılar, bir pompa ışınının doğrusal olmayan bir kristalle etkileşime girdiği ve bireysel fotonların kuantum dolanık hale gelebilecek çiftlere bölünmesine neden olduğu iyi bilinen bir süreç olan spontan parametrik aşağı dönüşümü (SPDC) kullandılar.

Geleneksel lazer bazlı pompa ışını yerine, oldukça polarize olan ancak yine de uzay ve zamanda oldukça tutarsız olan güneş ışığını kullandılar. Başka bir deyişle, güneş ışığının genel alanı aynı yönde salınıyordu ancak çeşitli yönlere yayılabilen farklı renkli fotonlar içeriyordu.

Li, “Deney düzeneğimizi, farklı renklerin ve yayılma yönlerinin getirdiği farklılıklar, fotonların polarizasyonunu etkilemeyecek şekilde tasarladık” dedi.

“Teorimizin öngördüğü gibi, eğer dolaşıklık yalnızca polarizasyonda yaşıyorsa, o zaman bu, yönüne veya rengine değil, yalnızca pompanın salınım yönündeki düzenine bağlı olmalıdır. Bu, son derece uzaysal ve zamansal olarak tutarsız güneş ışığından yüksek kaliteli polarizasyon dolaşıklığı üretmemize olanak sağladı.”

Bir diğer zorluk ise güneş ışığının milimetre boyutunda, doğrusal olmayan küçük bir kristale nasıl odaklanacağıydı. Bu sorunu çözmek için Fattahi’nin MPL’deki ekibi tamamı camdan oluşan bir güneş yoğunlaştırıcı geliştirdi. Koni şeklindeki cihaz, ev tipi pencere boyutundaki Fresnel lens tarafından toplanan güneş ışığını insan saçı genişliğindeki bir optik fibere yoğunlaştırıyor ve dolaşma oluşumunu sağlayan küçük, doğrusal olmayan kristale odaklanmasını sağlıyor.

Teoriyi teste tabi tutmak

Teorilerini ve güneş yoğunlaştırıcısını test etmek için araştırmacılar MPL’de bir açık hava deneyi gerçekleştirdiler. Ortaya çıkan kuantum durumunu karakterize etmek için kuantum durum tomografisini kullanarak, güneş ışığından üretilen dolaşıklığın, mükemmel dolaşıklık durumuna yaklaşık %94 oranında benzer olduğunu buldular. Ek olarak, deney sırasında üretilen fotonlar Bell eşitsizliğini ihlal edecek şekilde ilişkilendirildi; bu da korelasyonun klasik bir açıklaması olmadığını ve kuantum dolaşmanın bir sonucu olması gerektiğini gösteriyor.

Artık prensip kanıtı gösterimi tamamlandığına göre, araştırmacılar parlaklıkta ve dolaşıklık kalitesinde iyileştirmeler yaparak sahada konuşlandırılabilir bir ürün üzerinde çalışıyorlar.

Bu çalışmada SPDC kullanılmış olmasına rağmen araştırmacılar, yaklaşımın dört dalga karıştırma gibi diğer doğrusal olmayan optik yöntemlere genişletilebileceğini ve potansiyel olarak kuantum fotonik araştırmalarında yeni yönler açabileceğini söylüyor.

Li, “Bu projenin başlangıcından bu yana fikrimiz sürekli şüphe ve geri itmelerle karşılaştı” dedi. “Alanında dünyaca ünlü bazı araştırmacılar, güneş ışığına dayalı doğrusal olmayan optik süreçlerden herhangi bir fotonun (dolanık fotonlardan bahsetmeye bile gerek yok) tespit edilmesinin mümkün olup olmayacağını bile sorguladılar. Ancak biz hesaplamalarımıza güvendik, deney düzeneğini geliştirmeye devam ettik ve sonunda bunun mümkün olduğunu gösterdik.”