Alte Annahme widerlegt: Sonnenlicht erzeugt Quantenverschränkung

Laser gelten seit Jahrzehnten als unverzichtbare Lichtquelle, wenn verschränkte Photonen erzeugt werden sollen. Ein internationales Forschungsteam hat nun gezeigt, dass es auch anders geht: Die Forschenden nutzten konzentriertes Sonnenlicht als Pumpquelle und erzeugten damit verschränkte Photonenpaare mit hoher Qualität. Die Ergebnisse könnten langfristig einfachere und energieeffizientere Quantentechnologien ermöglichen – etwa für Satelliten und Weltraummissionen.

Verschränkte Photonen sind Lichtteilchen, deren quantenmechanische Zustände so miteinander verbunden sind, dass ihre Eigenschaften nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können. Sie spielen eine zentrale Rolle in der Quantenkommunikation, der Quantensensorik und bei verschiedenen Ansätzen des Quantencomputings.

Erzeugt werden solche Photonenpaare häufig durch die sogenannte spontane parametrische Herunterkonversion, kurz SPDC. Dabei trifft ein Pumpstrahl auf einen nichtlinearen Kristall. Unter geeigneten Bedingungen wird ein Photon des Pumplichts in zwei Photonen mit geringerer Energie umgewandelt. Diese können miteinander verschränkt sein.

Sonnenlicht galt als ungeeignet

Bislang kommen für diesen Prozess meist Laser zum Einsatz. Dafür gibt es zwei naheliegende Gründe: Laserlicht besitzt eine hohe räumliche und zeitliche Kohärenz und lässt sich auf hohe Leistungsdichten konzentrieren. Sonnenlicht dagegen ist deutlich inkohärenter und weniger intensiv.

Daraus entstand die verbreitete Annahme, dass Sonnenlicht als Pumpquelle für die Erzeugung verschränkter Photonen ungeeignet sei. Forschende des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts, des Max-Planck-Zentrums für Extreme und Quantenphotonik sowie der Universität Ottawa haben diese Annahme nun experimentell überprüft.

Entscheidend ist dabei, dass Kohärenz nicht für sämtliche Eigenschaften eines Lichtstrahls gleichermaßen beschrieben werden kann. Licht besitzt verschiedene Freiheitsgrade, beispielsweise räumliche Verteilung, Zeit, Frequenz oder Polarisation.

Die Inkohärenz der Pumpquelle beeinträchtigt eine Verschränkung demnach vor allem dann, wenn beide denselben Freiheitsgrad betreffen. Für eine Polarisationsverschränkung ist die räumliche oder zeitliche Kohärenz des Pumplichts nicht zwangsläufig entscheidend – vorausgesetzt, die verschiedenen Freiheitsgrade lassen sich ausreichend voneinander entkoppeln.

1,4 m² Sonnenlicht auf eine dünne Faser konzentriert

Die größere technische Herausforderung bestand darin, genügend Sonnenlicht in den nur wenige Millimeter großen Bereich eines nichtlinearen Kristalls zu bringen.

Dafür entwickelte das Team am Max-Planck-Institut ein eigenes Konzentrationssystem. Es sammelt Sonnenlicht auf einer Fläche von rund 1,4 m². Eine große Fresnel-Linse bündelt das Licht auf einen kegelförmigen Glaskonzentrator, der auf einer sonnengeführten Vorrichtung montiert ist.

Im Inneren des Glaskegels wird das Licht durch Totalreflexion weiter konzentriert und schließlich in eine Multimode-Faser eingekoppelt. Diese leitet das gebündelte Sonnenlicht zum nichtlinearen Kristall. Dort löste das Sonnenlicht tatsächlich den SPDC-Prozess aus.

Verschränkung mit fast 94 % Fidelity

Die erzeugten Photonenpaare erreichten nach Angaben der Forschenden eine Fidelity von knapp 94 %. Dieser Wert beschreibt, wie stark der erzeugte Quantenzustand mit dem angestrebten verschränkten Zustand übereinstimmt.

Darüber hinaus beobachtete das Team Korrelationen, mit denen sich eine Bellsche Ungleichung verletzen lässt. Damit lässt sich zeigen, dass sich die gemessenen Zusammenhänge nicht durch klassische lokale Modelle erklären lassen.

Auch bei der Effizienz zeigte sich ein bemerkenswertes Ergebnis. Wird die Photonenproduktionsrate auf Pumpleistung und effektive Bandbreite des nichtlinearen Prozesses normiert, sei die sonnenlichtgetriebene Erzeugung mit einem laserbetriebenen Aufbau vergleichbar.

Das bedeutet allerdings nicht, dass Sonnenlicht Laser generell ersetzen kann. Laser lassen sich wesentlich präziser kontrollieren und liefern unter Laborbedingungen hohe und konstante Leistungsdichten. Die Studie zeigt vielmehr, dass die hohe Kohärenz eines Lasers keine grundsätzliche Voraussetzung für die Erzeugung bestimmter verschränkter Quantenzustände ist.

Interessant für Quantentechnik im Weltraum

Besonders interessant könnte das Verfahren für Anwendungen sein, bei denen Energieverbrauch, Abwärme und technische Komplexität eine große Rolle spielen. Wird Sonnenlicht direkt als Pumpquelle genutzt, entfällt die Umwandlung elektrischer Energie in Laserlicht. Damit könnten Komponenten zur Stromversorgung, Kühlung und Stabilisierung teilweise entfallen.

Die Forschenden sehen deshalb Potenzial für Satelliten, interplanetare Missionen und abgelegene Standorte. In einer sonnensynchronen Umlaufbahn könnte ein Satellit beispielsweise über weite Teile seiner Bahn auf Sonnenlicht als Pumpquelle zugreifen.

Ein weiterer Vorteil liegt im breiten Spektrum des Sonnenlichts. Dadurch könnten sich langfristig verschränkte Photonen in Wellenlängenbereichen erzeugen lassen, für die geeignete Laser nur schwer verfügbar sind.

Das Team will deshalb auch untersuchen, ob sich andere nichtlineare Prozesse mit natürlichen Lichtquellen betreiben lassen. Dazu gehört beispielsweise die Vierwellenmischung, die ebenfalls zur Erzeugung korrelierter und verschränkter Photonen eingesetzt wird.

Die Studie ist in der Fachzeitschrift Optica erschienen.