相関光子ペアともつれ光子ペアは、量子光学において不可欠なツールです。科学者は通常、自発パラメトリック メタコンバージョン (SPDC) と呼ばれるプロセスを使用してこれらの光子ペアを作成します。このプロセスでは、非常に強力で安定したレーザーが非線形結晶に照射されます。 SPDC はコヒーレントなレーザー光に大きく依存しているため、研究者らは長い間、注意深く制御された実験室環境以外ではこの技術は実用的ではないと考えてきました。
最近の研究では、SPDC が機能するために実際には完全にコヒーレントな光は必要ないことが示されています。部分的にコヒーレントな光源であっても、相関した光子ペアを生成することができ、そのコヒーレンス特性の一部が生成された光子に伝達されます。この発見により、研究者らは興味深い疑問を抱くようになりました。太陽光自体を使用して、相関する光子ペアを作成できるのでしょうか?
太陽光を量子光学に利用する
太陽光を利用可能な SPDC 光源に変えるには、大きなハードルが伴います。地球に届く太陽光は、明るさ、方向、位置が常に変化するため、SPDC 実験や光子の検出に必要な正確な位置合わせを維持することが困難になります。
同時に、太陽光には大きな利点もあります。レーザーとは異なり、電気や複雑な実験器具を必要としません。太陽光ベースのシステムは、従来のレーザー システムが実用的ではない遠隔地や空間でも動作する可能性があります。
アモイ大学のWuhong Zhang氏とLixiang Chen氏が率いる研究チームは、実用的なソリューションを実証しました。 bを書く 高度なフォトニクス科学者らは、SPDC の唯一のポンプ源として太陽光を使用する実験装置について説明しました。
彼らのシステムには、赤道望遠鏡を取り付けるのと同様の自動太陽追跡装置が含まれています。トラッカーは一日中太陽を継続的に追跡し、太陽光を長さ 20 メートルのプラスチック光ファイバーに向けます。ファイバーは光を暗い屋内実験室に送り、そこで周期的な柱を備えた非線形リン酸チタニルカリウム (PPKTP) 結晶を送り出します。
太陽光はコヒーレントな光子ペアの生成に成功
自然太陽光の不安定性にも関わらず、このセットアップは強い位置相関を持つ光子ペアの生成に成功しました。システムをテストするために、研究者らはゴースト イメージングに光子ペアを使用しました。ゴースト イメージングは、直接空間検出の代わりに相関光子を使用して画像を再構成する量子イメージング技術です。
太陽光駆動システムは、同じポンプパワーで動作する標準的な 405 nm レーザーによって生成される可視性 95.5 パーセントに近い 90.7 パーセントのゴースト可視性を達成しました。
研究者らは、単純な二重スリット画像化を超えて、「ゴーストの顔」と呼ばれるより詳細な 2D 画像も再現しました。その結果、太陽光駆動システムはより複雑な空間パターンを処理できることが証明されました。
研究者らによると、太陽光の広いスペクトルは非線形結晶内で一種の位相整合をサポートし、位置相関のある多数の光子対の生成を可能にするという。長期間にわたってデータを収集することで、チームは信号対ノイズ比とコントラスト対ノイズを改善し、太陽光の自然な変動にもかかわらずシステムが安定したパフォーマンスを維持できることを示しました。
完全にパッシブな量子イメージング システム
この実験は、太陽光励起型 SPDC とゴーストイメージングを組み合わせた実証に初めて成功したことを示しています。レーザーと外部電力の必要性を排除することにより、システムは相関光子対の完全に受動的なソースを作成します。
研究者らは、この技術が遠隔環境や宇宙ベースのアプリケーションで使用される将来の量子イメージングおよび量子情報システムに特に役立つ可能性があると考えています。
彼らはまた、太陽光の収集、結晶工学、圧縮センシングや機械学習を含む画像再構成手法の進歩により、画像品質と画像処理速度がさらに向上し、同時にこの技術が現実世界での実用化に近づく可能性があると指摘した。
