Pasangan foton yang berkorelasi dan terjerat adalah alat penting dalam optik kuantum. Para ilmuwan biasanya menciptakan pasangan foton ini melalui proses yang disebut konversi parametrik spontan (SPDC), di mana laser yang kuat dan sangat stabil menerangi kristal nonlinier. Karena SPDC sangat bergantung pada sinar laser yang koheren, para peneliti telah lama menganggap teknik ini tidak praktis di luar lingkungan laboratorium yang dikontrol dengan cermat.
Baru-baru ini, penelitian menunjukkan bahwa cahaya koheren sempurna sebenarnya tidak diperlukan agar SPDC dapat berfungsi. Bahkan sumber cahaya yang koheren sebagian dapat menghasilkan pasangan foton yang berkorelasi, sekaligus mentransfer beberapa sifat koherensinya ke foton yang dihasilkan. Penemuan ini mengarahkan para peneliti untuk mengajukan pertanyaan menarik: Mungkinkah sinar matahari sendiri digunakan untuk menghasilkan pasangan foton yang berkorelasi?
Menggunakan sinar matahari untuk optik kuantum
Mengubah sinar matahari menjadi sumber SPDC yang dapat digunakan menghadapi kendala besar. Sinar matahari yang mencapai Bumi terus-menerus berfluktuasi dalam kecerahan, arah, dan posisi, sehingga sulit untuk mempertahankan keselarasan tepat yang diperlukan untuk eksperimen SPDC dan deteksi foton.
Di saat yang sama, sinar matahari memberikan manfaat yang besar. Berbeda dengan laser, laser tidak memerlukan catu daya atau peralatan laboratorium yang rumit. Sebuah sistem yang berbasis sinar matahari berpotensi dapat bekerja di lokasi terpencil atau bahkan di ruang angkasa di mana sistem laser tradisional mungkin tidak praktis.
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Wuhong Zhang dan Lixiang Chen dari Universitas Xiamen menunjukkan solusi yang efektif. Tulislah Fotonik Tingkat LanjutPara ilmuwan menggambarkan pengaturan eksperimental yang menggunakan sinar matahari sebagai satu-satunya sumber pemompaan SPDC.
Sistem mereka mencakup alat pelacak matahari otomatis yang mirip dengan teleskop khatulistiwa. Pelacak ini terus melacak Matahari sepanjang hari dan mengarahkan sinar matahari ke serat optik multimode plastik sepanjang 20m. Serat tersebut membawa cahaya ke dalam laboratorium dalam ruangan yang gelap, di mana ia memompa kristal nonlinier kalium titanium fosfat (PPKTP) dengan kutub periodik.
Sinar matahari berhasil menghasilkan pasangan foton yang berkorelasi
Meskipun sinar matahari alami tidak stabil, pengaturannya berhasil menghasilkan pasangan foton dengan korelasi posisi yang kuat. Untuk menguji sistem tersebut, para peneliti menggunakan pasangan foton untuk pencitraan hantu, sebuah teknik pencitraan kuantum di mana gambar direkonstruksi menggunakan foton yang berkorelasi, bukan deteksi spasial langsung.
Sistem yang digerakkan oleh sinar matahari mencapai visibilitas pencitraan hantu 90,7%, mendekati visibilitas 95,5% yang dihasilkan oleh laser standar 405 nm yang beroperasi dengan daya pompa yang sama.
Selain pencitraan celah ganda sederhana, para peneliti juga merekonstruksi gambar dua dimensi yang lebih detail yang digambarkan sebagai “wajah hantu”. Hasilnya menunjukkan bahwa sistem bertenaga surya dapat menangani pola spasial yang lebih kompleks.
Menurut para peneliti, spektrum sinar matahari yang luas membantu mendukung pencocokan fase kuasi di dalam kristal nonlinier, memungkinkan produksi sejumlah besar pasangan foton yang berkorelasi posisi. Dengan mengumpulkan data dalam jangka waktu yang lama, tim meningkatkan rasio signal-to-noise dan kontras-to-noise, menunjukkan bahwa sistem dapat mempertahankan kinerja yang stabil meskipun terjadi fluktuasi alami pada sinar matahari.
Sistem pencitraan kuantum yang sepenuhnya pasif
Eksperimen ini menandai keberhasilan pertama demonstrasi SPDC yang dipompa sinar matahari dan dikombinasikan dengan pencitraan hantu. Dengan menghilangkan kebutuhan akan laser dan daya listrik eksternal, sistem ini menciptakan sumber pasangan foton berkorelasi yang sepenuhnya pasif.
Para peneliti yakin teknologi ini terbukti sangat berguna untuk pencitraan kuantum masa depan dan sistem informasi yang digunakan di lingkungan terpencil atau aplikasi luar angkasa.
Mereka juga mencatat bahwa kemajuan dalam pengumpulan sinar matahari, rekayasa kristal, dan metode rekonstruksi gambar, termasuk penginderaan terkompresi dan pembelajaran mesin, dapat lebih meningkatkan kualitas dan kecepatan pencitraan sekaligus membantu mendekatkan teknologi tersebut ke penggunaan praktis di dunia nyata.
