In un nuovo esperimento sorprendente, l’imaging fantasma quantistico funziona utilizzando solo la luce solare.

Studi più recenti hanno dimostrato che una luce perfettamente coerente non è in realtà necessaria affinché la SPDC funzioni. Anche sorgenti luminose parzialmente coerenti possono produrre coppie di fotoni correlati, trasferendo al contempo alcune delle proprie proprietà di coerenza ai fotoni generati. Questa scoperta ha portato i ricercatori a porsi una domanda intrigante: la luce solare stessa potrebbe essere utilizzata per generare coppie di fotoni correlati?

Utilizzo della luce solare per l’ottica quantistica

Trasformare la luce solare in una sorgente SPDC utilizzabile presenta notevoli ostacoli. La luce solare che raggiunge la Terra varia costantemente in luminosità, direzione e posizione, rendendo difficile mantenere l’allineamento preciso necessario per gli esperimenti SPDC e il rilevamento dei fotoni.

Allo stesso tempo, la luce solare offre un vantaggio notevole. A differenza dei laser, non richiede energia elettrica né complesse apparecchiature di laboratorio. Un sistema basato sulla luce solare potrebbe potenzialmente funzionare in luoghi remoti o persino nello spazio, dove i sistemi laser tradizionali potrebbero risultare impraticabili.

Un team di ricerca guidato da Wuhong Zhang e Lixiang Chen dell’Università di Xiamen ha ora dimostrato una soluzione funzionante. In un articolo pubblicato su Advanced Photonics , gli scienziati hanno descritto una configurazione sperimentale che utilizza la luce solare come unica fonte di pompaggio per la SPDC.

Il loro sistema include un dispositivo automatico di inseguimento solare simile a una montatura equatoriale per telescopi. Il dispositivo segue continuamente il Sole durante il giorno e convoglia la luce solare in una fibra ottica multimodale in plastica lunga 20 metri. La fibra trasporta la luce in un laboratorio buio al chiuso, dove pompa un cristallo non lineare di fosfato di titanile di potassio a polarizzazione periodica (PPKTP).

La luce solare produce con successo coppie di fotoni correlati

Nonostante l’instabilità della luce solare naturale, il sistema è riuscito a generare coppie di fotoni con forti correlazioni di posizione. Per testare il sistema, i ricercatori hanno utilizzato le coppie di fotoni per l’imaging fantasma, una tecnica di imaging quantistico in cui le immagini vengono ricostruite utilizzando fotoni correlati anziché tramite rilevamento spaziale diretto.

Il sistema alimentato dalla luce solare ha raggiunto una visibilità dell’immagine fantasma del 90,7%, vicina al 95,5% di visibilità prodotto da un laser standard da 405 nm operante alla stessa potenza di pompaggio.

Oltre alla semplice acquisizione di immagini tramite doppia fenditura, i ricercatori hanno anche ricostruito un’immagine bidimensionale più dettagliata, descritta come un “volto fantasma”. Il risultato ha dimostrato che il sistema alimentato a luce solare è in grado di gestire modelli spaziali più complessi.

Secondo i ricercatori, l’ampio spettro della luce solare contribuisce a supportare l’adattamento di quasi-fase all’interno del cristallo non lineare, consentendo la produzione di un gran numero di coppie di fotoni correlate in posizione. Raccogliendo dati per periodi prolungati, il team ha migliorato sia il rapporto segnale/rumore che il rapporto contrasto/rumore, dimostrando che il sistema può mantenere prestazioni stabili nonostante le naturali fluttuazioni della luce solare.

Un sistema di imaging quantistico completamente passivo

L’esperimento rappresenta la prima dimostrazione di successo della SPDC pompata dalla luce solare combinata con l’imaging fantasma. Eliminando la necessità di laser e alimentazione elettrica esterna, il sistema crea una sorgente completamente passiva di coppie di fotoni correlati.

I ricercatori ritengono che questa tecnologia potrebbe rivelarsi particolarmente utile per i futuri sistemi di imaging quantistico e di informazione quantistica utilizzati in ambienti remoti o in applicazioni spaziali.

Hanno inoltre osservato che i progressi nella raccolta della luce solare, nell’ingegneria dei cristalli e nei metodi di ricostruzione delle immagini, tra cui il compressed sensing e l’apprendimento automatico, potrebbero migliorare ulteriormente la qualità e la velocità di acquisizione delle immagini, contribuendo al contempo ad avvicinare la tecnologia all’utilizzo pratico nel mondo reale.

La tecnica di imaging fantasma (GI) è in fase di sviluppo da diversi anni ed è ora realizzabile sia in regime a singolo fotone che a multifotone, utilizzando luce sia quantistica che classica. In questo lavoro, affrontiamo la sfida sperimentale di utilizzare la luce solare come fascio di pompaggio per eccitare la conversione parametrica spontanea verso il basso e generare coppie di fotoni. Sorprendentemente, le nostre indagini rivelano che le coppie di fotoni eccitate dalla luce solare mostrano una forte correlazione posizionale, consentendo la loro applicazione nel GI con un’efficienza paragonabile a quella ottenuta utilizzando un laser con una potenza di pompaggio simile. Questa scoperta dimostra il potenziale dell’impiego di un fascio incoerente come sorgente di pompaggio nei sistemi GI. La nostra ricerca riveste una notevole importanza in quanto amplia la gamma di sorgenti di illuminazione utilizzabili, tra cui la luce diffusa e la luce incoerente artificiale non tradizionale, per le applicazioni di imaging. Un potenziale utilizzo chiave è nei sistemi di informazione quantistica spaziali, dove questo approccio consente un funzionamento indipendente dalle sorgenti laser.