想製造一對量子糾纏光子需要怎樣的泵浦源？長期以來，研究人員給出的答案是需要先準備一台雷射儀。現在，太陽光也可以做到了。
近期，德國麥克斯·普朗克光科學研究所與加拿大渥太華大學等團隊首次證明，利用太陽光在戶外真實條件下能夠直接驅動自發參量下轉換（SPDC），產生量子糾纏光子對。
在實驗中，研究人員利用一套太陽能聚光系統收集約1.4平方米範圍內的太陽光，將其導入細如頭髮絲的多模光纖，再用於驅動非線性晶體。
最終產生的光子對糾纏保真度接近94%，與近年來雷射泵浦方案的結果相當。這意味著，在產生糾纏光子這件事上，雷射並非唯一選擇。更重要的是，太陽光並不需要經歷從「太陽能-電能-雷射」的光電能量轉換過程，也省去了雷射泵浦系統帶來的部分複雜設備和能量開銷。
相關論文發表於 Optica[1]。對衛星、深空探測器等能源和散熱條件受嚴格限制的設備來說，這項研究提供了一種更簡單、更節能的量子光源方案。
沒有雷射，就造不出量子糾纏嗎？
糾纏光子是量子通信、量子計算和量子傳感的重要資源。
目前，產生糾纏光子對的一種常見方法是 SPDC。簡單來說，當泵浦光進入非線性晶體後，其中一個高能光子可轉化為兩個能量較低的孿生光子；通過適當設計，這兩個光子之間能形成無法由經典物理解釋的量子糾纏。
過去幾十年，雷射一直被認為是驅動這一過程最合適的光源，主要原因在於相干性和功率密度。具體來說，雷射具有很高的光學相干性，即光波之間能夠保持穩定的相位關係。長期以來，人們認為要通過 SPDC獲得穩定的量子關聯，需要這樣高度相干的泵浦光場。
在功率密度方面，非線性光學過程往往需要足夠強的泵浦光，而雷射可將大量能量集中在很小的區域內。相比之下，天然太陽光在空間和時間上高度不相干，光線也更分散，因此一直被認為不適合用於產生糾纏光子。
圖丨利用太陽光產生量子糾纏的實驗裝置概念性示意圖（來源：Optica）
但是，研究團隊重新審視了其中一個關鍵前提：產生量子糾纏，真的要求泵浦光在所有維度上都保持高度相干嗎？答案是否定的。
在光學中，相干性並不是一種單一屬性。光具有空間、時間、偏振等多個自由度，一束光可以在空間和時間上不相干，但在偏振這個自由度上保持確定狀態。
而泵浦光在某個自由度上的不相干，主要限制的是與這個自由度相關的糾纏。例如，泵浦光失去空間相干性會影響位置-動量糾纏，但如果研究人員希望獲得的是偏振糾纏，情況會變得不同。
「只要泵浦光束是完美偏振的，其空間或時間上的不相干性就不應該妨礙偏振糾纏的產生。」該論文第一作者、渥太華大學博士畢業生 Cheng Li對媒體表示。
因此，真正的問題不再是太陽光夠不夠相干，而變成兩個更具體的問題：如何避免不同自由度相互影響？如何把足夠多的太陽光集中到非線性晶體上？
圖丨用於日光泵浦產生偏振糾纏光子對的實驗裝置的實景照片（來源：Optica）
為驗證猜想，該團隊專門建造了一套能夠收集約1.4平方米範圍內的太陽光的聚光系統，並將它導入一根細如頭髮絲的多模光纖。
該系統的核心是一套由團隊自主研發製造的玻璃錐形太陽能聚光器。大型菲涅爾透鏡安裝在太陽跟蹤系統上，將收集到的陽光匯聚到玻璃錐體底部。隨後，聚焦後的太陽光通過全內反射進一步聚集，在錐體尖端耦合進多模光纖，再由光纖輸送至非線性晶體，通過這樣的方式來驅動 SPDC。
研究人員解決的核心工程問題之一，是將原本分散在平方米尺度上的天然太陽光，集中並輸送到毫米尺度的非線性光學器件中。
實驗結果與研究團隊此前的預測一致。利用太陽光碟機動 SPDC後，研究人員成功獲得了高度糾纏的光子對，其糾纏保真度接近94%。
此外，這些光子還表現出能夠違反貝爾不等式的關聯。這意味著，這種關聯無法用經典局域物理理論解釋，是量子糾纏的重要證據。
更值得關注的是，研究人員發現，在進一步考慮泵浦功率和有效光譜頻寬後，太陽光與雷射泵浦的歸一化光子對產生效率可以達到相當水平。這意味著，過去太陽光表現得「不夠好」，可能很大程度上並非來自某種不可逾越的物理限制，而是太陽光收集、聚焦以及光譜利用等工程問題。
把太陽變成量子光源，有什麼用？
從實驗室角度看，用太陽光替代成熟的雷射系統似乎沒有那麼必要。但到了太空，這個技術的重要意義會更加突顯。
「在許多環境中，尤其是在太空中，太陽光是一種豐富且可靠的資源。」該論文共同通訊作者、馬克斯·普朗克光科學研究所 Hanieh Fattahi教授表示，「能夠直接從太陽光中產生量子糾纏光子，可以為衛星和未來的深空任務構建更簡單、更可靠的量子系統。」
傳統方案利用太陽能驅動量子光源，通常需要經歷一條能量轉換鏈：首先太陽光需要由太陽能電池轉換為電能，再利用電能驅動雷射儀，最後用雷射驅動非線性晶體產生糾纏光子。
新方案更簡單，它直接繞過了中間環節：用太陽光碟機動非線性光學系統，產生糾纏光子。不僅省去了過程中複雜的電光轉換，還可減少主動穩定設備、廢熱以及潛在故障點。
這種操作的優勢，對於資源受限的環境而言尤為重要，包括衛星、行星際探測任務等。具體而言，運行在太陽同步軌道上的太空飛行器可長時間獲得太陽光，使太陽自身成為一種天然的量子泵浦源。
此外，太陽光的寬光譜還能夠提供更大的波長選擇範圍，為不同類型的量子光學系統提供新的設計空間。
也需要看到的是，現階段這研究仍屬原理驗證性質，而新方案也並不是要全面替代雷射儀製造糾纏光子。雷射具備的性能，包括高亮度、高方向性、窄線寬以及高度可控等，依然有它的獨特優勢。
這項研究打破了領域內長期以來的基礎認知：產生製造高質量量子糾纏，並不一定要從一台高度相干的雷射儀開始。至少在某些量子光學系統中，太陽本身，也可以成為泵浦源。
