Onderzoekers maken verstrengelde fotonen met zonlicht in plaats van met een laser

Zonlicht doet wat tot nu toe was voorbehouden aan lasers

Een internationaal onderzoeksteam heeft verstrengelde lichtdeeltjes gemaakt met niets anders dan zonlicht als bron. Tot nu toe gold een laser als onmisbaar om quantumtoestanden van licht klaar te maken. De resultaten verschenen op 6 augustus in het vakblad Optica.

Aan het onderzoek deden twee groepen mee. De eerste is die van Robert Boyd aan de University of Ottawa in Canada, die het theoretische deel voor zijn rekening nam. De tweede is de groep van Hanieh Fattahi aan het Max Planck Institute for the Science of Light in Duitsland, die de zonneconcentrator ontwikkelde. Eerste auteur is Cheng Li, die kort geleden in Ottawa afstudeerde.

Van een lens ter grootte van een raam naar een kristal van een millimeter

De opstelling stond buiten, op het terrein van het Duitse instituut. Een fresnellens ving het zonlicht op, met een verzamelend oppervlak van ongeveer 1,4 vierkante meter. Een motor liet het geheel met de zon meedraaien.

Vanaf de lens ging het licht in een kegelvormige concentrator van massief glas, die de bundel samenperste tot in een glasvezel zo dun als een mensenhaar. Aan het eind van die weg zat een niet-lineair kristal van een millimeter groot, ondergebracht in een afgeschermde behuizing binnen een verduisterde tent. Detectoren die losse fotonen kunnen tellen registreerden wat eruit kwam.

Het proces achter de verstrengeling

De omzetting berust op spontane parametrische neerwaartse conversie. Daarbij valt af en toe een foton uit de invallende bundel in het kristal uiteen in twee fotonen, die samen dezelfde energie dragen. Die twee kunnen verstrengeld raken, wat wil zeggen dat een meting aan het ene deeltje onmiddellijk vastlegt wat de meting aan het andere oplevert.

Het is een bekende techniek, maar hij wordt vrijwel altijd met een laser gevoed. Een laser levert licht dat in ruimte en tijd geordend is, en juist die ordening werd tot nu toe als voorwaarde beschouwd.

Waarom natuurkundigen dachten dat dit niet zou lukken

Zonlicht is het tegenovergestelde van geordend. Het is in ruimte en tijd sterk incoherent, en dat maakte het onaannemelijk dat er bruikbare verstrengeling uit te halen viel.

De meting laat zien dat die redenering te grof was. Licht kan in de ene eigenschap volstrekt wanordelijk blijven, bijvoorbeeld in de richtingen waarin het reist, en tegelijk fotonen opleveren die in een andere eigenschap verstrengeld zijn. In dit geval ging het om polarisatie, de richting waarin de lichtgolf trilt.

Wat de metingen opleverden

De gemaakte fotonparen kwamen voor ongeveer 94 procent overeen met een volmaakt verstrengelde toestand. Daarnaast schonden de metingen de ongelijkheid van Bell, de standaardtoets waarmee onderzoekers uitsluiten dat een klassieke verklaring volstaat.

Volgens de onderzoekers is de kwaliteit van de verstrengeling vergelijkbaar met die van laseropstellingen, zodra je corrigeert voor het verschil in bandbreedte tussen beide bronnen. Dat laatste is geen bijzin. Zonlicht bestrijkt een veel breder golflengtegebied dan een laser, en zonder die correctie zijn de getallen niet naast elkaar te leggen.

De energierekening van quantumtechnologie

De aantrekkingskracht van het resultaat zit in het verbruik. Elke laser in een quantumopstelling vraagt stroom, koeling en onderhoud, en dat telt op naarmate systemen groter worden.

De onderzoekers wijzen op toepassingen waar dat het zwaarst weegt: satellieten, missies in de diepe ruimte en andere omgevingen waar energie en ruimte schaars zijn. Ook noemen zij versleutelde verbindingen, nauwkeurige sensoren en het opschalen van quantumrekenwerk zonder dat het stroomverbruik evenredig meegroeit.

Wat het nog niet is

Een bruikbaar apparaat is dit niet. Het gaat om een demonstratie onder gecontroleerde omstandigheden, met een verduisterde tent en een zonvolgende motor eromheen.

Het team zegt zelf te werken aan een versie die in het veld inzetbaar is, en noemt daarbij twee punten die beter moeten. Het eerste is de helderheid van de bron, dus het aantal bruikbare fotonparen per seconde. Het tweede is de kwaliteit van de verstrengeling zelf. Daarnaast onderzoeken de wetenschappers of andere niet-lineaire processen, zoals viergolfmenging, hetzelfde kunnen presteren.

Waarom dit ook voor Nederland de moeite waard is

Nederland investeert stevig in quantumtechnologie, en het energieverbruik van die systemen hoort bij de zaken die opschaling in de weg zitten. Een lichtbron die geen laser nodig heeft, verandert dat niet van vandaag op morgen, maar hij verschuift wel de richting waarin onderzoekers naar oplossingen zoeken.

Interessanter is misschien nog de bredere les. Een aanname die decennialang als vanzelfsprekend gold, blijkt bij nameting niet te kloppen. Dat gebeurt vaker in dit vakgebied, en het is precies waarom fundamenteel onderzoek zich slecht laat vastleggen op afgesproken doelen. De winst zat hier niet in een beter kristal of een sterkere laser, maar in de vraag of die laser er wel hoefde te zijn.