Wissenschaftler nutzen Sonnenlicht für Quantenphysik-Leistung, die einst als unmöglich galt

Diese Annahme beginnt sich in den letzten Jahren zu wandeln. Forscher haben festgestellt, dass SPDC keine perfekt kohärenten Lichtquellen benötigt. Selbst teilweise kohärentes Licht kann den Prozess antreiben und dabei einige seiner Kohärenzeigenschaften auf die erzeugten Photonen übertragen.

Dies eröffnete eine faszinierende Möglichkeit: Kann Sonnenlicht selbst korrelierte Photonenpaare erzeugen? Wissenschaftler verwandeln Sonnenlicht in eine Quantenlichtquelle Die Nutzung für die spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) ist alles andere als einfach.

Das natürliche Sonnenlicht verändert sich Laufe des Tages ständig Bezug auf Helligkeit, Winkel und Position. Diese Schwankungen können die präzise Ausrichtung und die Photonen detektion stören, die für Experimente der Quantenoptik erforderlich sind. Dennoch bietet Sonnenlicht einen wesentlichen Vorteil.

Technik, Energie und Einsatz

Gegensatz Lasersystemen benötigt es keine dedizierte elektrische Stromquelle und könnte potenziell Quantentechnologien in abgelegenen oder extremen Umgebungen unterstützen. Ein Chen an der Xiamen University geführtes Team hat nun gezeigt, dass die Idee in der Praxis funktioniert.

In einer Advanced Photonics veröffentlichten Studie bauten die Wissenschaftler eine experimentelle Anlage, bei der Sonnenlicht als einzige Pumpquelle für die SPDC diente. Das System verwendete ein automatisches Sonnennachführungssystem, das einem äquatorialen Teleskopgestell ähnelt.

Der Tracker verfolgte die Sonne kontinuierlich und leitete das gesammelte Licht in eine 20 m lange Kunststoff-Multimode-Optikfaser. Das Licht wurde dann durch die Faser in ein dunkles Laboratorium geleitet, wo es einen periodisch gepolten Nichteinkristall aus Kaliumtitanylphosphat (PPKTP) beleuchtete.

Quanten-Geisterbildgebung mit Sonnenlicht Trotz der Instabilität

Quanten-Geisterbildgebung mit Sonnenlicht Trotz der Instabilität der Sonneneinstrahlung erzeugte die Versuchsanordnung erfolgreich Photonenpaare mit starken Positions-Korrelationen.

Um das System zu testen, führten die Forschenden eine Geisterbildgebung durch, eine Technik, die Bilder unter Verwendung korrelierter Photonen rekonstruiert, anstatt räumliche Informationen direkt vom Objekt selbst aufzuzeichnen.

Das mit Sonnenlicht betriebene System erreichte eine Geisterbildungs-Sichtbarkeit von 90,7 %, was nahe an der Sichtbarkeit von 95,5 % liegt, die mit einem konventionellen 405-nm-Laser bei gleicher Pumpleistung erzielt wurde.

Die Forschenden demonstrierten zunächst die Abbildung

Die Forschenden demonstrierten zunächst die Abbildung eines Doppelspalts und rekonstruierten daraufhin ein komplexeres zweidimensionales Bild, das als „Geistergesicht" beschrieben wurde. Das Ergebnis zeigte, dass das auf Sonnenlicht basierende System feinere räumliche Strukturen erfassen kann.

Laut dem Team unterstützt das breite Spektrum des Sonnenlichts die quasi-phasenanpassende Wechselwirkung im nichtlinearen Kristall und trägt so zur Erzeugung einer großen Anzahl positionskorrelierter Photonenpaare bei.

Durch die Datenerhebung über längere Zeiträume verbesserten die Forscher sowohl das Signal-zu-Rausch-Verhältnis als auch das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis, sodass das System trotz der natürlichen Variabilität des Sonnenlichts eine stabile Bildgebungsleistung aufrechterhalten kann. Ein Schritt hin zur passiven Quantenbildgebung.

Technik, Energie und Einsatz

Der Versuch stellt die erste erfolgreiche Demonstration Fluoreszenz (SPDC) Kombination mit Ghost Imaging dar. Durch den Wegfall des Bedarfs Lasern und externer elektrischer Energie entsteht eine vollständig passive Quelle korrelierter Photonenpaare.

Die Forscher gehen davon aus, dass diese Technologie für Quantenbildgebung und Quanteninformationssysteme Weltraum oder in abgelegenen Umgebungen könnte, in denen herkömmliche Laserausrüstung schwer einzusetzen ist.

Sie schlagen zudem vor, dass zukünftige Fortschritte bei der Sonnenlichtsammlung, beim Design nichtlinearer Kristalle und bei Rekonstruktionsmethoden wie dem komprimierten Sampling und dem maschinellen Lernen die Bildgebungsgeschwindigkeit und die Bildqualität verbessern könnten, wodurch sonnenbetriebene Quantenbildgebung näher an reale Anwendungen herangerückt wird.

Quelle: „Sunlight-excited spontaneous parametric down-conversion for ghost imaging", Diefei Xu, Yuan Li, Rongchang Chen, Wuhong Zhang und Lixiang Chen, 24. April 2026, Advanced Photonics. DOI: 10.1117/1.AP.8.3.036011