Die Quantenverschränkung ist die Grundlage aller quantenphysikalischen Anwendungen – vom Quantencomputer über hochempfindliche Sensoren bis zur verschlüsselten Quantenkommunikation. Sind Teilchen über die Verschränkung verkoppelt, führt die Zustandsmessung des einen automatisch zu einer Zustandsänderung des anderen – instantan und selbst über große Entfernungen hinweg. Albert Einstein bezeichnete dieses Phänomen daher auch als „spukhafte Fernwirkung“.
Als Voraussetzung für eine Verschränkung von Photonen galt bisher eine kohärente Lichtquelle – Laserlicht, dessen Wellen im Gleichtakt und in die gleiche Richtung schwingen. „Photonen eines Pumplasers interagieren dann mit einem nichtlinearen Medium und werden zu verschränkten Photonenpaaren herunterkonvertiert“, erklären Cheng Li von der University of Ottawa und seine Kollegen das gängige Prozedere. Dieses ist jedoch energieaufwendig und wenig effizient.
Geht Verschränkung aus ungeordnetem Sonnenlicht?
Doch es gibt eine Alternative, wie nun Li und sein Team demonstrieren. „Wir zeigen erstmals, dass auch Sonnenlicht – eine allgegenwärtige und umweltfreundliche Lichtquelle – verschränkte Photonenpaare produzieren kann, obwohl dieses Licht nicht kohärent ist“, berichten die Forschenden. Grundlage dafür ist die Annahme, dass das Licht für die Verschränkung nur in der dafür genutzten Eigenschaft kohärent sein muss – beispielsweise in der Polarisation der Photonen. Die anderen Merkmale dürfen ungeordneter sein.
„Demnach sollte Verschränkung – sofern sie ausschließlich auf der Polarisation beruht – nur vom Ordnungsgrad der Schwingungsrichtung des Pumpstrahls abhängen, nicht jedoch von dessen Ausbreitungsrichtung oder Farbe“, erklärt Li. „Wir haben daher unser Experiment so ausgelegt, dass die Inkohärenz des Sonnenlichts in Farbe und Richtung die Polarisation der Photonen nicht stört. Dies ermöglichte es uns, aus räumlich und zeitlich stark inkohärentem Sonnenlicht eine qualitativ hochwertige Polarisationsverschränkung zu erzeugen.“
So funktioniert die Umwandlung
Das Experiment zur Sonnenlichtverschränkung besteht aus zwei Kernkomponenten. Die erste ist ein neu entwickelter Solarkonzentrator, der das Sonnenlicht bündelt, filtert und konzentriert. Dafür fängt ein großer Glaskegel das Licht ein und leitet es über eine Fresnel-Linse und Spektralfilter an mehreren Spiegeln entlang. Dadurch wird der Strahl so stark gebündelt, dass er in eine Glasfaser von der Dicke eines menschlichen Haares eingespeist werden kann.
Die zweite Hauptkomponente erzeugt aus diesem gebündelten, intensiven Sonnenlicht die verschränkten Photonen. Dafür wird das Licht schubweise durch einen nichtlinearen optischen Kristall aus Kalium-Titanylphosphat (ppKTP) geleitet. Dieser Kristall sitzt in einem Polarisations-Interferometer – einem System aus Strahlteilern, Filtern und Spiegeln, das die Photonen des Sonnenlichts in Photonenpaare umwandelt, deren Partner über ihre Polarisation miteinander verschränkt sind.
Cheng Li beim Praxistest des neuen Systems zur Erzeugung von verschränkten Photonen aus Sonnenlicht. Hinter ihm ist der Solarkonzentrator zu sehen, unter der dunklen Plane steckt der nichtlineare Kristall mit dem Polarisator. — © Jasvinder Brar/ Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts
Ähnliche Qualität wie bei laserbasierten Systemen
Für erste Praxistests installierten Li und seine Kollegen dieses System auf dem Außengelände des Instituts. Dabei zeigte sich: Pro Sekunde und Milliwatt optischer Pumpleistung des gebündelten Sonnenlichts erzeugte ihre Verschränkungsanlage rund 1600 in ihrer Polarisation miteinander gekoppelte Photonenpaare. „Damit ist die Produktionsrate vergleichbar mit der der lasergepumpten Photonenerzeugung“, berichtet das Team.
Noch wichtiger jedoch: Die aus dem Sonnenlicht erzeugten Photonen erfüllen die für eine Verschränkung geltenden Kriterien. „Die Werte für Übereinstimmung, Reinheit und Zuverlässigkeit deuten darauf hin, dass ihr Zustand hochgradig verschränkt ist“, schreiben Li und seine Kollegen. Ihren Messungen zufolge erreichten die Photonenpaare rund 94 Prozent der maximal erreichbaren perfekten Verschränkung – auch das ist ähnlich gut wie bei lasergenerierten verschränkten Photonen.
Weg zu effizienteren Quantentechnologien
Erstmals ist es damit gelungen, verschränkte Photonen direkt aus dem Sonnenlicht zu gewinnen – ohne Einsatz von Lasern oder anderen stromhungrigen Systemen. Dies könnte den Weg zu energieeffizienteren und umweltfreundlicheren Quantentechnologien ebnen. „Sonnenlicht ist in vielen Umgebungen, insbesondere im Weltraum, eine reichlich vorhandene und zuverlässige Ressource“, erklärt Co-Autorin Hanieh Fattahi vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen.
Dadurch könnten beispielsweise künftige Quantencomputer und -sensoren deutlich stromsparender betrieben werden als bisher der Fall. „Unsere Technologie könnte es eines Tages auch Satelliten ermöglichen, sichere Quantenschlüssel allein mit dem im Weltall reichlich vorhandenen Sonnenlicht zu erzeugen“, sagt Li. „Dadurch wären keine Bordlaser mehr nötig und man könnte auch einen Großteil der restlichen Hardware einsparen.“ Ein weiterer Vorteil: Das breite Spektrum des Sonnenlichts ermöglicht es, verschränkte Photonen auch in den Wellenlängen zu erzeugen, für die es bisher keine oder nur sehr teure Laser gibt.
Quelle: Cheng Li (University of Ottawa, Kanada) et al., Optica, 2026; doi: 10.1364/OPTICA.601797
