太阳光也能制造量子纠缠！保真度接近94%

想制造一对量子纠缠光子需要怎样的泵浦源？长期以来，研究人员给出的答案是需要先准备一台激光器。现在，太阳光也可以做到了。

近期，德国马克斯·普朗克光科学研究所与加拿大渥太华大学等团队首次证明，利用太阳光在户外真实条件下能够直接驱动自发参量下转换（SPDC），产生量子纠缠光子对。

在实验中，研究人员利用一套太阳能聚光系统收集约 1.4 平方米范围内的太阳光，将其导入细如头发丝的多模光纤，再用于驱动非线性晶体。

最终产生的光子对纠缠保真度接近 94%，与近年来激光泵浦方案的结果相当。这意味着，在产生纠缠光子这件事上，激光并非唯一选择。更重要的是，太阳光并不需要经历从“太阳能-电能-激光”的光电能量转换过程，也省去了激光泵浦系统带来的部分复杂设备和能量开销。

相关论文发表于 Optica[1]。对卫星、深空探测器等能源和散热条件受严格限制的设备来说，这项研究提供了一种更简单、更节能的量子光源方案。

图丨相关论文（来源：Optica）

没有激光，就造不出量子纠缠吗？

纠缠光子是量子通信、量子计算和量子传感的重要资源。

目前，产生纠缠光子对的一种常见方法是 SPDC。简单来说，当泵浦光进入非线性晶体后，其中一个高能光子可转化为两个能量较低的孪生光子；通过适当设计，这两个光子之间能形成无法由经典物理解释的量子纠缠。

过去几十年，激光一直被认为是驱动这一过程最合适的光源，主要原因在于相干性和功率密度。具体来说，激光具有很高的光学相干性，即光波之间能够保持稳定的相位关系。长期以来，人们认为要通过 SPDC 获得稳定的量子关联，需要这样高度相干的泵浦光场。

在功率密度方面，非线性光学过程往往需要足够强的泵浦光，而激光可将大量能量集中在很小的区域内。相比之下，天然太阳光在空间和时间上高度不相干，光线也更分散，因此一直被认为不适合用于产生纠缠光子。

（来源：Optica）

但是，研究团队重新审视了其中一个关键前提：产生量子纠缠，真的要求泵浦光在所有维度上都保持高度相干吗？答案是否定的。

在光学中，相干性并不是一种单一属性。光具有空间、时间、偏振等多个自由度，一束光可以在空间和时间上不相干，但在偏振这个自由度上保持确定状态。

而泵浦光在某个自由度上的不相干，主要限制的是与这个自由度相关的纠缠。例如，泵浦光失去空间相干性会影响位置-动量纠缠，但如果研究人员希望获得的是偏振纠缠，情况会变得不同。

“只要泵浦光束是完美偏振的，其空间或时间上的不相干性就不应该妨碍偏振纠缠的产生。”该论文第一作者、渥太华大学博士毕业生 Cheng Li 对媒体表示。

因此，真正的问题不再是太阳光够不够相干，而变成两个更具体的问题：如何避免不同自由度相互影响？如何把足够多的太阳光集中到非线性晶体上？

（来源：Optica）

为验证猜想，该团队专门建造了一套能够收集约 1.4 平方米范围内的太阳光的聚光系统，并将它导入一根细如头发丝的多模光纤。

该系统的核心是一套由团队自主研发制造的玻璃锥形太阳能聚光器。大型菲涅尔透镜安装在太阳跟踪系统上，将收集到的阳光汇聚到玻璃锥体底部。随后，聚焦后的太阳光通过全内反射进一步聚集，在锥体尖端耦合进多模光纤，再由光纤输送至非线性晶体，通过这样的方式来驱动 SPDC。

研究人员解决的核心工程问题之一，是将原本分散在平方米尺度上的天然太阳光，集中并输送到毫米尺度的非线性光学器件中。

实验结果与研究团队此前的预测一致。利用太阳光驱动 SPDC 后，研究人员成功获得了高度纠缠的光子对，其纠缠保真度接近 94%。

此外，这些光子还表现出能够违反贝尔不等式的关联。这意味着，这种关联无法用经典局域物理理论解释，是量子纠缠的重要证据。

更值得关注的是，研究人员发现，在进一步考虑泵浦功率和有效光谱带宽后，太阳光与激光泵浦的归一化光子对产生效率可以达到相当水平。这意味着，过去太阳光表现得“不够好”，可能很大程度上并非来自某种不可逾越的物理限制，而是太阳光收集、聚焦以及光谱利用等工程问题。

把太阳变成量子光源，有什么用？

从实验室角度看，用太阳光替代成熟的激光系统似乎没有那么必要。但到了太空，这个技术的重要意义会更加突显。

“在许多环境中，尤其是在太空中，太阳光是一种丰富且可靠的资源。”该论文共同通讯作者、马克斯·普朗克光科学研究所 Hanieh Fattahi 教授表示，“能够直接从太阳光中产生量子纠缠光子，可以为卫星和未来的深空任务构建更简单、更可靠的量子系统。”

图丨 Hanieh Fattahi 教授（来源：马克斯·普朗克光科学研究所）

传统方案利用太阳能驱动量子光源，通常需要经历一条能量转换链：首先太阳光需要由太阳能电池转换为电能，再利用电能驱动激光器，最后用激光驱动非线性晶体产生纠缠光子。

新方案更简单，它直接绕过了中间环节：用太阳光驱动非线性光学系统，产生纠缠光子。不仅省去了过程中复杂的电光转换，还可减少主动稳定设备、废热以及潜在故障点。

这种操作的优势，对于资源受限的环境而言尤为重要，包括卫星、行星际探测任务等。具体而言，运行在太阳同步轨道上的航天器可长时间获得太阳光，使太阳自身成为一种天然的量子泵浦源。

此外，太阳光的宽光谱还能够提供更大的波长选择范围，为不同类型的量子光学系统提供新的设计空间。

也需要看到的是，现阶段这研究仍属原理验证性质，而新方案也并不是要全面替代激光器制造纠缠光子。激光具备的性能，包括高亮度、高方向性、窄线宽以及高度可控等，依然有它的独特优势。

这项研究打破了领域内长期以来的基础认知：产生制造高质量量子纠缠，并不一定要从一台高度相干的激光器开始。至少在某些量子光学系统中，太阳本身，也可以成为泵浦源。

参考资料：

1.C. Li, J. Brar, M. Kublbock, J. Upham, H. Fattahi, R. W. Boyd, Generating quantum entanglement from sunlight, Optica 13, 1508-1514 (2026).DOI: 10.1364/OPTICA.601797.

2.https://www.uottawa.ca/about-us/news-all/quantum-entanglement-generated-sunlight-first-time

排版：刘雅坤

注：封面/首图由 AI 辅助生成