Bugünkü kvant texnologiyalarının bir çoxu əhəmiyyətli miqdarda enerji istehlak edən güclü lazerlərdən asılıdır. Bu sistemlər böyüdükcə və daha geniş yayıldıqca, onların elektrik enerjisinə olan tələbatı artan bir narahatlıq yarada bilər. Tədqiqatçılar indi təəccüblü bir alternativ nümayiş etdiriblər: günəş işığının özü fotonlar arasında kvant dolaşıqlığı yaratmaq üçün istifadə edilə bilər.

Kanadanın Ottava Universitetinin bu yaxınlarda məzunu olan Çenq Li bildirib ki, “Kvant dolaşıqlığı təhlükəsiz rabitə, ultra dəqiq sensor və yüksək performanslı hesablama kimi tətbiqlər üçün çox vacibdir. İşlərimiz göstərir ki, bol təbii işıq mənbələri kvant dolaşıqlığı üçün istifadə edilə bilər və bu da daha enerjiyə qənaət edən və əlçatan kvant texnologiyaları imkanlarını açır.”

Optica Nəşriyyat Qrupunun yüksək təsirli tədqiqatlar üçün jurnalı olan Optica -da dərc olunan tapıntılar göstərir ki, günəş işığı daxil olan işığın bant genişliyindəki fərqlər nəzərə alındıqda lazer əsaslı texnikalara bənzər dolaşıqlıq yarada bilər. Bu nailiyyət Ottava Universitetindəki Robert Boydun qrupunun nəzəri işlərini və Almaniyadakı Maks Plank İşıq Elmi İnstitutunda (MPL) Hanieh Fattahinin komandası tərəfindən yaradılan yeni günəş konsentratorunu bir araya gətirdi.

Məqalənin ilk müəllifi Li bildirib ki, “Bu texnologiya bir gün peyklərə kosmosda onsuz da bol olan günəş işığından istifadə edərək təhlükəsiz şifrələmə açarları yaratmağa imkan verə bilər və bununla da bort lazerlərinə və dəstəkləyici avadanlıqların çoxuna olan ehtiyacı azalda bilər. Günəş işığı ilə idarə olunan dolaşıqlıq generasiyası həmçinin kvant hesablamasının enerji yükünə əlavə etmədən genişləndirilməsi üçün lazım olan vacib tərkib hissəsini təmin edə bilər.”

Kvant İşığı Haqqında Çətin Fərziyyələr

Alimlər ənənəvi olaraq foton dolaşıqlığı üçün lazım olan güclü korrelyasiyaların yaradılmasının koherent işıq tələb etdiyinə inanırlar. Koherent işıqda dalğalar sinxron olaraq qalır ki, zirvələri və vadiləri proqnozlaşdırıla bilən bir nümunəni izləsin. Lazerlər bu məqsədlə adətən istifadə olunur, çünki onlar tək bir rəngdə cəmlənmiş yüksək koherent işıq yaradırlar.

Boydun komandasının əvvəlki tədqiqatları bu fərziyyəni şübhə altına almağa başladı. Tədqiqatçılar nəzəri olaraq proqnozlaşdırdılar və sonra eksperimental olaraq sübut etdilər ki, qeyri-koherent işığın da kvant dolaşıqlığı yarada biləcəyi. Bu təcrübələrdə onlar polyarizasiya ilə dolaşıq fotonlar yaratmaq üçün qeyri-koherent işıq mənbəyi olan LED-dən istifadə etdilər.

Bu nəticələr mühüm bir prinsipi müəyyən etdi. İşıq bir xüsusiyyətdə, məsələn, hərəkət istiqamətlərində nizamsız ola bilər, eyni zamanda polyarizasiya kimi başqa bir xüsusiyyətlə dolaşan fotonlar yarada bilər.

Yeni iş, LED-i günəş işığı ilə əvəz etməklə bu konsepsiyanı daha da irəli aparır. Günəş işığı bir çox istiqamətdə yayıldığı və geniş rəng spektrinə malik olduğu üçün daha böyük bir problem yaradır.

Günəş işığı ilə dolaşıq fotonların yaradılması

Dolaşıq fotonları yaratmaq üçün tədqiqatçılar spontan parametrik aşağı çevrilməyə (SPDC) əsaslanırdı. Bu qurulmuş optik prosesdə nasos şüası qeyri-xətti kristala daxil olur və burada fərdi fotonlar kvant dolaşıqlığına səbəb ola biləcək cütlərə bölünə bilər.

Komanda ənənəvi lazer nasosundan istifadə etmək əvəzinə, sistemə günəş işığı təmin etdi. Günəş işığı həm məkan, həm də zaman daxilində yüksək dərəcədə qeyri-müəyyən qalaraq güclü şəkildə polyarlaşdı. Ümumi işıq sahəsi, bir çox fərqli yollarla hərəkət edən müxtəlif rəngli fotonları ehtiva etsə də, eyni istiqamətdə salınırdı.

“Təcrübə qurğumuzu elə dizayn etdik ki, müxtəlif rənglər və yayılma istiqamətləri ilə yaranan fərqlər fotonların polyarizasiyasına təsir etməsin”, – deyə Li bildirib. “Nəzəriyyəmizin proqnozlaşdırdığı kimi, əgər dolaşıqlıq yalnız polyarizasiyada yaşayırsa, o zaman o, yalnız nasosun rəqs istiqamətindəki nizamlılığından asılı olmalıdır, istiqamətindən və ya rəngindən asılı olmamalıdır. Bu, bizə fəza və zaman baxımından yüksək dərəcədə uyğunsuz günəş işığından yüksək keyfiyyətli polyarizasiya dolaşıqlığı yaratmağa imkan verdi.”

Son dərəcə kiçik qeyri-xətti kristala kifayət qədər günəş işığı düşməsi başqa bir böyük maneə yaratdı. Kristalın ölçüsü cəmi bir millimetrdir və bu da günəş işığını toplamağın adi üsullarını praktiki olaraq mümkünsüz edir.

Fəttahinin MPL-dəki komandası problemi tamamilə şüşədən hazırlanmış günəş konsentratoru dizayn etməklə həll etdi. Konus formalı sistem təxminən ev pəncərəsi ölçüsündə Fresnel linzası və insan saçı qədər genişlikdə optik lifə işıq saçan kanallar vasitəsilə günəş işığını toplayır. Daha sonra konsentratlaşdırılmış günəş işığı dolaşıq fotonların əmələ gəlməsindən məsul olan kiçik qeyri-xətti kristala yönəldilə bilər.

Günəş İşığı Güclü Kvant Dolaşıqlığı Yaradır

Tədqiqatçılar həm nəzəri proqnozlarını, həm də yeni konsentratı MPL-də açıq havada keçirilən təcrübə zamanı sınaqdan keçirdilər. Onlar yaranan kvant vəziyyətini təhlil etmək üçün kvant hal tomoqrafiyasından istifadə etdilər və günəş işığı ilə yaranan dolaşıqlığın mükəmməl dolaşıq vəziyyətə təxminən 94% bənzədiyini müəyyən etdilər.

Komanda həmçinin fotonların Bellin bərabərsizliyini pozan korrelyasiyalar nümayiş etdirdiyini aşkar etdi. Bu nəticə xüsusilə vacibdir, çünki bu cür korrelyasiyalar klassik fizika ilə izah edilə bilməz və əvəzində əsl kvant dolaşıqlığının yarandığına dair dəlil təqdim edir.

Prinsip sübutu təcrübəsi uğurla başa çatdıqdan sonra tədqiqatçılar hazırda laboratoriyadan kənarda istifadə edilə biləcək bir sistem üzərində işləyirlər. Onların səyləri parlaqlığı artırmağa və dolaşıqlığın keyfiyyətini daha da yaxşılaşdırmağa yönəlib.

Təcrübə SPDC-yə əsaslanırdı, lakin tədqiqatçılar əsas yanaşmanın dörd dalğalı qarışdırma da daxil olmaqla digər qeyri-xətti optik üsullarla da işləyə biləcəyini söyləyirlər. Konsepsiyanın əlavə metodlara genişləndirilməsi kvant fotonikasında yeni imkanlar yarada bilər.

Skeptizmdən İşçi Təcrübəyə

Nəticə, elmi ictimaiyyətdə günəş işığının prosesi real şəkildə idarə edib-etməməsi ilə bağlı əhəmiyyətli şübhələri də aradan qaldırdı.

“Bu layihənin başlanğıcından bəri ideyamız dəfələrlə şübhə və etirazla qarşılaşıb”, – deyə Li bildirib. “Bu sahədə dünyaca məşhur bəzi tədqiqatçılar hətta günəş işığı ilə idarə olunan qeyri-xətti optik proseslərdən hər hansı bir fotonun – dolaşıq fotonlardan danışmamaq şərtilə – aşkarlanmasının mümkün olub-olmadığını da şübhə altına alıblar. Lakin biz hesablamalarımıza etibar etdik, eksperimental qurğunu təkmilləşdirməyə davam etdik və nəticədə bunun mümkün olduğunu göstərdik.”