Pares de fótons correlacionados e emaranhados são ferramentas importantes na óptica quântica. Os cientistas normalmente geram esses pares de fótons por meio de um processo denominado conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC), no qual um laser poderoso e altamente estável brilha em um cristal não linear. Como o SPDC depende fortemente de lasers coerentes, os pesquisadores há muito consideram a tecnologia impraticável fora de ambientes laboratoriais rigidamente controlados.
Pesquisas recentes mostraram que não é necessária luz perfeitamente coerente para que o SPDC funcione. Mesmo uma fonte de luz parcialmente coerente pode produzir pares de fótons correlacionados, ao mesmo tempo que transmite algumas de suas próprias propriedades coerentes aos fótons resultantes. A descoberta levou os pesquisadores a fazer uma pergunta interessante: a própria luz solar poderia ser usada para criar os pares de fótons relevantes?
Aproveitando a luz solar para óptica quântica
A conversão da luz solar em uma fonte de luz SPDC utilizável enfrenta obstáculos significativos. A luz solar que atinge a Terra flutua constantemente em brilho, direção e posição, tornando difícil manter o alinhamento preciso necessário para experimentos SPDC e detecção de fótons.
Ao mesmo tempo, a luz solar também apresenta grandes vantagens. Ao contrário dos lasers, não requer eletricidade ou equipamento de laboratório sofisticado. Os sistemas baseados na luz solar têm potencial para operar em áreas remotas e até mesmo no espaço onde os sistemas laser tradicionais podem ser impraticáveis.
Uma equipe de pesquisa liderada por Zhang Wuhong e Chen Lixiang, da Universidade de Xiamen, demonstrou agora uma possível solução. escrito em Fotônica Avançadaos cientistas descrevem uma configuração experimental que usa a luz solar como única fonte de bomba para o SPDC.
Seu sistema inclui um dispositivo automático de rastreamento solar semelhante à montagem de um telescópio equatorial. O rastreador rastreia continuamente o sol ao longo do dia e direciona a luz solar para 20 m de fibra óptica multimodo de plástico. As fibras ópticas transportaram luz para um laboratório interno escuro, onde um cristal não linear de titanila fosfato de potássio periodicamente polarizado (PPKTP) foi bombeado.
A luz solar produz com sucesso pares de fótons correlacionados
Apesar da instabilidade da luz solar natural, o dispositivo produziu com sucesso pares de fótons com forte correlação posicional. Para testar o sistema, os pesquisadores usaram pares de fótons para imagens fantasmas, uma técnica de imagem quântica na qual fótons correlacionados são usados para reconstruir imagens em vez de detecção espacial direta.
A visibilidade da imagem fantasma deste sistema movido à luz solar atinge 90,7%, o que está próximo da visibilidade de 95,5% produzida por um laser padrão de 405 nm operando com a mesma potência da bomba.
Além da imagem simples de fenda dupla, os pesquisadores também reconstruíram imagens bidimensionais mais detalhadas, chamadas de “rostos fantasmas”. Os resultados mostram que os sistemas movidos pela luz solar podem lidar com padrões espaciais mais complexos.
O amplo espectro da luz solar ajuda a apoiar a correspondência de quase fases em cristais não lineares, produzindo um grande número de pares de fótons dependentes da posição, dizem os pesquisadores. Ao coletar dados durante um longo período de tempo, a equipe melhorou a relação sinal-ruído e a relação contraste-ruído, demonstrando que o sistema pode manter um desempenho estável apesar das flutuações naturais da luz solar.
Sistema de imagem quântica totalmente passivo
Este experimento marca a primeira demonstração bem-sucedida da combinação de SPDC com bomba solar e imagens fantasmas. Ao eliminar a necessidade de um laser e de uma fonte de energia externa, o sistema cria uma fonte completamente passiva de pares de fótons correlacionados.
Os pesquisadores acreditam que esta tecnologia será particularmente útil para futuras imagens quânticas e sistemas de informação quântica usados em ambientes remotos ou aplicações espaciais.
Eles também observam que os avanços na captação de luz solar, na engenharia de cristais e nos métodos de reconstrução de imagens, incluindo detecção comprimida e aprendizado de máquina, poderiam melhorar ainda mais a qualidade e a velocidade da imagem, ao mesmo tempo que aproximam a tecnologia de aplicações práticas.
