Quantenlicht aus der Sonne könnte Satellitentechnik vereinfachen
Ein internationales Forschungsteam hat erstmals gezeigt, dass sich verschränkte Photonenpaare, ein zentraler Baustein der Quantentechnologie, auch mit gewöhnlichem Sonnenlicht statt mit Lasern erzeugen lassen. Die Entdeckung könnte künftig einfachere Quantensysteme für Satelliten und andere Weltraummissionen ermöglichen, die ohnehin permanent der Sonne ausgesetzt sind. Die Ergebnisse sind im Fachjournal Optica veröffentlicht worden.
Symbolbild: pexels.com/Tuğba
Laser galten bislang als unverzichtbar
Verschränkte Photonen sind Paare von Lichtteilchen, deren Eigenschaften auf eine Weise miteinander verknüpft bleiben, die sich nicht mit klassischer Physik erklären lässt. Sie gelten als wichtige Ressource für Quantenkommunikation, Quantencomputer und hochempfindliche Messtechnik. Erzeugt werden sie üblicherweise durch spontane parametrische Down-Konversion, bei der Licht aus einem Strahl in einem speziellen Kristall in zwei einzelne, miteinander verschränkte Photonen umgewandelt wird. Jahrzehntelang galten dafür ausschließlich Laser als geeignet, da sie im Gegensatz zu Sonnenlicht eine gleichmäßige, geordnete Lichtwelle liefern und mehr Leistung auf kleinem Raum bündeln.
Ein Team des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts, des Max-Planck-Zentrums für Extreme und Quantenphotonik sowie der Universität Ottawa zeigte nun, dass diese Annahme nicht in jedem Fall zutrifft. Entscheidend war die Erkenntnis, dass Licht in mehreren unabhängigen Eigenschaften gleichzeitig geordnet oder ungeordnet sein kann. Solange die Polarisation des Sonnenlichts, also die Ausrichtung der Lichtwellen, erhalten bleibt, hindert seine sonst ungeordnete Natur die Verschränkung nicht. Um genügend Sonnenlicht auf den winzigen Kristall zu bündeln, entwickelte das Team um Hanieh Fattahi einen Sonnenkonzentrator, der Licht über 1,4 Quadratmeter sammelt und über eine haardünne Faser einspeist.
Nutzen vor allem für Satelliten und abgelegene Regionen
Die auf diese Weise erzeugten Photonenpaare erreichten eine Qualität von 94 Prozent und damit ein Niveau, das mit lasergepumpten Quellen vergleichbar ist. Auch die Effizienz der sonnenlichtbasierten Erzeugung erwies sich als vergleichbar mit jener von Lasern.
Besonders im Weltraum sehen die Forschenden praktisches Potenzial. Satelliten und Raumsonden könnten Quantenlichtquellen künftig direkt mit Sonnenlicht betreiben, ohne den Umweg über elektrische Energie und Laser. Das spart Gewicht, verringert mögliche Fehlerquellen und reduziert die Abwärme im Betrieb. Ein Raumfahrzeug auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn hätte zudem nahezu durchgehend Zugang zu seiner Lichtquelle. Auch für abgelegene Regionen ohne verlässliche Stromversorgung, etwa in der Arktis, könnte sich der Ansatz eignen. Das Team betont, dass die Forschung noch am Anfang steht.
Quelle: https://mpl.mpg.de/de/news/artikel/quantum-entanglement-generated-by-sunlight-for-the-first-time