Quantenverschränkung aus Sonnenlicht: Forscher erzeugen verschränkte Photonen ganz ohne Laser

Für die Erzeugung von Quantenverschränkung galt bislang ein Laser als praktisch unverzichtbar. Ein internationales Forschungsteam hat nun gezeigt, dass es auch anders geht. Physiker der Universität Ottawa und des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts erzeugten verschränkte Photonenpaare allein mithilfe von gewöhnlichem Sonnenlicht.

Die Ergebnisse sind bemerkenswert deutlich ausgefallen. Die so erzeugten Lichtteilchen waren zu rund 94 Prozent mit einem ideal verschränkten Zustand vergleichbar. Zudem verletzten ihre Korrelationen die sogenannte Bellsche Ungleichung, was in der Physik als eindeutiger Nachweis dafür gilt, dass es sich tatsächlich um echte Quantenverschränkung handelt.

Die Studie wurde am 6. August im Fachjournal Optica veröffentlicht. Beteiligt waren unter anderem die Gruppe um Robert Boyd an der Universität Ottawa sowie das Team von Hanieh Fattahi am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Deutschland. Als Erstautor der Arbeit wird Cheng Li aus Ottawa genannt.

Warum das die Lehrmeinung umstößt

Das Resultat rüttelt an einer Grundannahme der Quantenoptik. Bisher galt, dass man das geordnete, in sich synchronisierte Licht eines Lasers benötigt, um die starken Korrelationen zu erzeugen, die für eine Verschränkung nötig sind. Sonnenlicht dagegen ist räumlich diffus, spektral breit und zeitlich chaotisch, also auf den ersten Blick denkbar ungeeignet.

Genau hier liegt die eigentliche Überraschung. Das Team konnte zeigen, dass auch dieses hochgradig ungeordnete Sonnenlicht ausreicht, sofern der richtige Freiheitsgrad gezielt genutzt wird. Entscheidend war, die Polarisation des Lichts zu erhalten, also die Schwingungsrichtung der Lichtwellen, während andere Eigenschaften ruhig unordentlich bleiben durften.

Der Erstautor Cheng Li ordnete die Bedeutung der Arbeit ein. Quantenverschränkung sei entscheidend für Anwendungen wie sichere Kommunikation, hochpräzise Sensorik und leistungsstarke Datenverarbeitung, erklärte er. Der Nachweis, dass sich dafür schlichtes Sonnenlicht nutzen lässt, eröffnet daher ganz neue technische Möglichkeiten für die Zukunft.

Wie das Experiment funktioniert

Technisch beruht der Versuch auf einem bekannten Verfahren, der spontanen parametrischen Fluoreszenz. Dabei trifft ein sogenannter Pumpstrahl auf einen nichtlinearen Kristall, in dem ein Lichtteilchen gelegentlich in zwei miteinander verschränkte Photonen aufgespalten wird. Neu ist, dass dieser Pumpstrahl hier nicht von einem Laser, sondern direkt von der Sonne stammt.

Um das eher schwache Sonnenlicht überhaupt nutzbar zu machen, entwickelte das Team von Hanieh Fattahi einen speziellen Sonnenkonzentrator. Dieser bündelt das Licht mithilfe einer Fresnel-Linse, wie man sie aus dem Alltag kennt, und leitet es über eine Glasfaser weiter, bevor es schließlich auf den nichtlinearen Kristall trifft und dort seine Wirkung entfaltet.

Bemerkenswert ist auch, dass der Aufbau mit tatsächlichem Tageslicht arbeitete und nicht nur mit einer künstlichen Nachbildung im Labor. Dass die Forscher trotz aller Störeinflüsse messbar verschränkte Photonenpaare nachweisen konnten, unterstreicht, wie robust der gewählte Ansatz auch unter realen Bedingungen funktioniert.

Wofür das nützlich sein könnte

Die möglichen Anwendungen reichen weit über das Labor hinaus. Besonders interessant ist die Idee, Quantensatelliten künftig mit dem im Weltraum ohnehin reichlich vorhandenen Sonnenlicht zu betreiben. Solche Satelliten könnten sichere Verschlüsselungscodes erzeugen, ohne dafür einen leistungshungrigen Laser an Bord mitführen zu müssen.

Damit verbindet sich ein weiterer Vorteil, nämlich der geringere Energie- und Hardwarebedarf. Wenn Sonnenlicht die Rolle des Lasers übernimmt, ließen sich Aufbau und Betrieb von Quantentechnik spürbar vereinfachen. Das könnte langfristig helfen, sichere Kommunikation und energieeffizientes Quantenrechnen breiter und zugleich günstiger verfügbar zu machen.

Noch handelt es sich um Grundlagenforschung, und bis zu einsatzfähigen Geräten ist es zweifellos ein weiter Weg. Dennoch zeigt die Arbeit eindrucksvoll, dass vermeintlich feste Regeln der Physik gelegentlich neu gedacht werden können. Dass ausgerechnet das chaotische Licht der Sonne quantenmechanische Ordnung hervorbringt, dürfte die Fachwelt noch eine Weile beschäftigen.