Zniszczyli to jednak za mało powiedziane. Fizycy wręcz wjechali w niego z buldożerem, zadając przy okazji proste pytanie – skoro udało się tak, to ile innych założeń trzymamy przy życiu tylko dlatego, że od lat działały wystarczająco dobrze?
Słońce zamiast lasera to nie przepis na katastrofę
Naukowcy z Xiamen University, kierowani przez Wuhonga Zhanga i Lixianga Chena, pokazali właśnie światu układ, w którym światło słoneczne posłużyło jako jedyne źródło pompujące do spontanicznej parametrycznej konwersji w dół, czyli SPDC – nieliniowego procesu optycznego, w którym foton może dać początek parze fotonów o niższej energii. Eksperyment został opisany w Advanced Photonics, a sama publikacja nosi dokładnie tytuł “Sunlight-excited spontaneous parametric down-conversion for ghost imaging“.
Czytaj też: Atomy zamiast anteny. Udowodnię Ci, że to nie komputer kwantowy może zmienić świat jako pierwszy
W klasycznym układzie SPDC bierze się stabilne, spójne światło lasera i kieruje je do nieliniowego kryształu. W uproszczeniu? Jeden foton z wiązki pompującej może tam “rozpaść się” na dwa fotony o niższej energii, które są powiązane ze sobą właściwościami kwantowymi. Takie pary są podstawowym zasobem w wielu doświadczeniach z obrazowaniem kwantowym, komunikacją kwantową i fotonicznymi komputerami kwantowymi.
Przez długi czas świat cały zakładał, że bez tak dobrze kontrolowanego lasera taka zabawa nie ma praktycznego sensu. Słońce nie jest przecież punktowym, stabilnym, monochromatycznym źródłem światła. Z naszej perspektywy jego jasność, kąt padania i położenie zmieniają się przez cały dzień, a atmosfera dokłada własne kaprysy. Dlatego właśnie ten eksperyment nie jest tylko prostą historią o tym, jak to “zastąpili laser Słońcem”. Jest to raczej sprawdzenie, czy optyka kwantowa może w pewnych warunkach działać z dużo mniej eleganckim źródłem światła.
Jak złapali Słońce i zamienili je w źródło par fotonów
Naukowcy w swoich badaniach wykorzystali automatyczny system śledzenia Słońca, podobny ideowo do montażu paralaktycznego w teleskopach. Zebrane światło trafiało do plastikowego, wielomodowego światłowodu o długości 20 metrów, a ten prowadził je do zaciemnionego laboratorium. Dopiero tam promieniowanie padało na nieliniowy kryształ PPKTP, czyli okresowo polaryzowany fosforan tytanylu potasu. Właśnie w tym krysztale zachodziła spontaniczna parametryczna konwersja w dół.
Mimo niestabilności i szerokiego widma światła słonecznego układ wygenerował pary fotonów z silnymi korelacjami położenia.
Badacze użyli tych par do tzw. “obrazowania duchowego”. Oznacza to tyle, że obraz nie powstaje tu tak, jak w zwykłej fotografii, gdzie rejestrujemy bezpośrednio światło odbite albo przechodzące przez obiekt w klasyczny sposób. Rekonstrukcja wykorzystuje korelacje między fotonami, więc tym samym informacja przestrzenna jest odzyskiwana pośrednio. Czy jednak można na niej polegać?
Czytaj też: Co ma dron do technologii kwantowej? Nowy rozdział wojny bezzałogowców zaczyna się w ciszy
Naukowcy najpierw pokazali obrazowanie podwójnej szczeliny, a później odtworzyli bardziej złożony dwuwymiarowy obraz. Wedle eksperymentu układ bazujący na świetle słonecznym przełożył się na 90,7 procent widoczności obrazu, podczas gdy konwencjonalny laser 405 nm, użyty przy tej samej mocy pompującej, osiągnął 95,5 procent. Innymi słowy, Słońce nie pokazało przewagi nad laserem, ale zasugerowało, że można je wykorzystać, choć w bardzo specyficznych warunkach.
Musimy bowiem pamiętać, że ciągle mówimy o eksperymencie, który wymaga precyzyjnej optyki, śledzenia Słońca, światłowodu, ciemnego laboratorium, detekcji fotonów i odpowiedniej analizy sygnału. Dlatego też samo hasło o “braku zasilania” trzeba rozumieć dwojako, bo wprawdzie światło słoneczne zastępuje laser jako źródło, ale cały system pomiarowy nie znika nagle z fizycznego świata. Sama poprawa jakości obrazu była też związana z dłuższym zbieraniem danych, a to od razu stawia pytanie o szybkość działania poza warunkami demonstracyjnymi.
Mimo tego wszystkiego naukowcy pokazali, że pewne metody optyki kwantowej mogą być mniej kruche wobec niedoskonałości źródła światła, niż przez lata zakładał świat.
Po co komu kwantowe obrazowanie napędzane Słońcem?
W optyce kwantowej problemem bywa nie tylko precyzja, ale też zależność od kontrolowanych źródeł światła i aparatury, którą trzeba zasilić, ustawić i utrzymać w stabilnych warunkach. Dlatego też naukowcy wskazują na zastosowania swojego odkrycia w przestrzeni kosmicznej, środowiskach odległych i systemach, w których liczy się ograniczenie zapotrzebowania na energię elektryczną. Trudno się temu dziwić, bo skoro Słońce i tak jest dostępne na orbicie, na sondach, w stacjach badawczych czy w odległych instalacjach, to czemu nie wykorzystać go także do bardziej zaawansowanej fotoniki?
Czytaj też: Chiny pokazały sprzęt, który zaskoczył mnie podwójnie. Kwantowe obliczenia coraz realniejsze
Tyle tylko że droga do praktycznego urządzenia kwantowego jest ciągle długa. Trzeba poprawić zbieranie światła, projekt kryształów nieliniowych, szybkość obrazowania oraz metody rekonstrukcji. Wśród możliwych kierunków rozwoju pojawia się jednak m.in. uczenie maszynowe, które mogłyby poprawić jakość oraz tempo odtwarzania obrazu. Nie jest to jednak technologiczny skok, który już czai się za rogiem. Taka “kwantowa kamera na światło słoneczne” nadal jest raczej kierunkiem badań niż sprzętem, który za chwilę poleci w kosmos i zastąpi klasyczne instrumenty.
Ważne jest jednak to, że naukowcom udało się pokazać, że naturalne, częściowo niespójne i zmienne światło może napędzić proces, który przez lata kojarzył się z kontrolowanymi laserami.
Źródła: EurekAlert, Advanced Photonics
