利用阳光可直接产生光子纠缠
发布时间: 2026-08-10 10:06:02
据最新一期《光学》杂志报道，加拿大渥太华大学和德国马克斯·普朗克光科学研究所研究人员证明，利用阳光也能直接产生光子纠缠，即光子之间形成的量子纠缠状态。该成果为降低量子技术能耗、推动量子设备规模化应用提供了新思路。
NASA全球降水测量（GPM）核心观测卫星（示意图）。图片来源：美国国家航空航天局（NASA） 由于光子具有传播速度快、易于操控等特点，光子纠缠已成为量子通信、量子计算和量子精密测量的重要资源。但长期以来科学家认为，实现光子纠缠所需的强关联性只能通过相干光实现。所谓相干光，是指光波保持同步，其波峰和波谷以可预测的方式排列。因此，能够产生单色、高相干光的激光器通常被用于制造纠缠光子。但是激光设备能耗较高，未来量子技术规模化应用可能面临能源需求增加的问题。
此次，团队利用阳光替代传统激光光源，通过自发参量下转换过程产生纠缠光子。在这一过程中，阳光作为泵浦光照射非线性晶体，使光子产生一对具有量子关联的纠缠光子。
理论分析发现，如果将量子信息编码在光子的偏振状态中，那么光子纠缠的产生并不依赖光传播方向和颜色，而主要取决于光波振荡方向的一致性。基于这一发现，团队设计实验装置，使阳光中的不同颜色和传播方向不会破坏偏振纠缠。
为了将分散的阳光聚焦到毫米级非线性晶体上，团队开发了一种全玻璃太阳能聚光器。该装置利用菲涅尔透镜收集阳光，再将光线集中到一根仅头发丝宽度的光纤中，最终照射到产生纠缠光子的晶体上。
实验结果显示，阳光产生的光子纠缠态与理想纠缠态的相似度达到约94%。同时，实验中光子之间的关联关系违反贝尔不等式，证明这种关联无法用经典物理解释，而是源于量子纠缠。
这项研究表明，丰富的天然光源可以用于产生光子纠缠，为构建更节能、更易获取的量子技术打开了可能。未来，该技术有望应用于空间量子通信，例如利用卫星接收阳光产生安全加密密钥，从而减少对机载激光器及相关硬件的依赖。
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