2026年8月6日——科学家已经证明，太阳光作为一种自然光源，能够产生量子纠缠光子对。凭借这一发现，国际研究团队对长期以来认为激光是制备光量子态不可或缺之工具的假设提出了挑战。这项近日发表在《Optica》上的研究，为开发新型可持续且节能的光子量子技术开辟了道路。

纠缠光子是指以经典物理无法解释的方式保持关联的光粒子对。它们是量子通信、量子计算和量子传感的关键资源。这类光子对通常通过一种称为自发参量下转换（SPDC）的过程产生，在该过程中，泵浦光束的光子会在非线性晶体内转换为成对的子光子。

激光不再独一无二

几十年来，激光一直被认为是该过程唯一合适的泵浦源，而太阳光则被视为不可行的光源。这一观念根植于两个基本假设。首先，激光的高光学相干性被认为是必不可少的。光学相干性是指光波彼此之间处于固定的、同步的时间或空间关系。人们曾假设，通过SPDC产生量子关联需要相位稳定的电磁场。其次，人们曾假设，激光是唯一能够提供高效驱动非线性光学过程所需光学功率密度的光源。然而，自然太阳光是非相干的，强度也远低于激光。由于这些特性，许多科学家曾将太阳光排除在可行的纠缠产生泵浦源之外。

在马克斯·普朗克光科学研究所（MPL）、马克斯·普朗克极限与量子光子学中心（MPC）和渥太华大学合作开展的研究项目中，科学家首次证明，与先前持有的科学观点相反，纠缠光子可以从太阳光中产生。

非相干性为纠缠留下空间

在光学中，“相干性”并非单一属性。光可以用多种明确的物理参数来描述，这些参数被称为自由度。因此，光可以在一个自由度上表现得有规律，而在另一个自由度上保持无序。例如，一束光可以具有完美的偏振，但在空间和时间上完全非相干。对于SPDC而言，泵浦光在某一自由度上的非相干性只会限制同一自由度上的纠缠。例如，位置-动量纠缠——一种空间纠缠——已知在泵浦光束失去空间相干性时会消失。而当目标纠缠所在的自由度与泵浦光束非相干性所在的自由度不同时，这种关系则不成立。

“只要泵浦光束具有完美的偏振，其空间或时间上的非相干性就不应妨碍偏振纠缠的产生。”渥太华大学Robert Boyd教授课题组博士毕业的Cheng Li博士表示。“利用太阳光的关键在于，在过程中保持光的各个自由度互不影响。这意味着，只要能够将足够的太阳光集中到非线性晶体中以诱导SPDC，太阳光就完全能够产生纠缠光子。”

太阳光聚光器提供充足的泵浦功率

非线性光学晶体的通光孔径通常只有几毫米。为了将足够的太阳光——在自然环境中广泛发散——导入如此狭小的区域，MPL研究组组长Hanieh Fattahi博士的团队构建了一套太阳光聚光系统。该系统在1.4平方米的范围内收集光线，并将其汇聚到一根细如发丝的光纤中。

该系统的核心是MPL内部自主研发并制造的太阳光聚光器。这是一个由玻璃制成的锥形装置。锥体的底部放置在一个大型菲涅耳透镜的焦点处，该透镜安装在一个太阳跟踪电机上。聚焦后的太阳光在向锥尖传播的过程中，通过全内反射得到进一步汇聚，锥尖将太阳光耦合进入多模光纤。随后，光纤可以将太阳光引导至非线性晶体，通过SPDC驱动纠缠产生。

直接用太阳光驱动纠缠产生

正如Boyd团队所预测的那样，太阳光驱动的SPDC产生了具有非常高纠缠度的光子对：保真度接近94%，与激光的性能非常接近。SPDC光子还表现出能够违反贝尔不等式的关联性，这表明这些关联无法用经典物理理论建模，确实是量子纠缠的特征。

团队还发现，当光子产生速率以泵浦功率和非线性过程的有效带宽进行归一化时，太阳光驱动的纠缠产生效率与激光驱动相当。这一发现表明，激光相对于太阳光可能并不像研究人员此前认为的那样具有诸多根本性优势，而实用的太阳光驱动量子光源可以通过例如太阳光收集和带宽利用等技术优化而变得越来越可行。

“太阳光在许多环境中都是丰富而可靠的资源，尤其是在太空。能够直接利用太阳光产生量子纠缠光子，可以为卫星和未来的深空任务提供更简单、更具韧性的量子系统。”Fattahi表示。

太阳光驱动的量子器件还具有激光无法提供的其他优势。太阳光的宽光谱可以提供更宽波长范围内的纠缠光子，尤其是在激光无法覆盖的波段。更重要的是，直接用太阳光驱动量子光源完全省去了电-光转换过程——无需主动稳定，需要管理的废热也大大减少。这样的系统将拥有更少的潜在故障点。这一特性对于在具有战略重要性但资源受限的环境中部署尤其具有吸引力，例如卫星、行星际任务以及北极等偏远地区。例如，在太阳同步轨道上的航天器将几乎不间断地获得其泵浦源。

“这项研究最棒的地方在于它仅仅是一个开始。”Robert Boyd教授表示。“除了SPDC之外，还有许多其他产生纠缠光子的非线性光学方法——四波混频就是一个很好的例子。对于每一种非线性相互作用，都有办法使其更高效。我们相信，这项工作可以激发非线性光学和量子光学领域的许多新研究，而这些研究反过来又可能使太阳光驱动的量子技术更加实用。”