近年の研究で、SPDC（自発的パラメトリック下方変換）に必ずしも完全にコヒーレントな光が必要ないことが示されました。部分的にコヒーレントな光源でも相関光子対を生成でき、その光子に独自のコヒーレンス特性の一部を転送できることが判明しています。この知見から、太陽光だけで相関光子対を作り出すことが可能かという問いが浮上しました。
太陽光を利用した SPDC の課題と利点
太陽光を SPDC のポンプ光源として活用するには、いくつかの大きな障壁があります。地球に届く太陽光は明るさ・方向・位置が常に変動するため、実験に必要な高精度な光路合わせを保つことが困難です。一方で、太陽光はレーザーと違い電力や複雑な装置を必要としないという利点があります。このため、遠隔地や宇宙空間など、従来のレーザーシステムが実用的でない環境でも動作する可能性があります。
実験概要：自動太陽追尾システム
アモイ大学の Wuhong Zhang 氏と Lixiang Chen 氏が率いる研究チームは、実用的なソリューションを実証しました。Advanced Photonics に掲載された報告によれば、彼らは太陽光を唯一のポンプ源とした SPDC 実験装置を構築しました。
- 赤道望遠鏡架台に似た自動太陽追尾装置を使用し、一日中太陽を追跡。
- 追尾装置は太陽光を 20 m のプラスチックマルチモード光ファイバーに導入。
- ファイバーは光を暗い屋内実験室へ搬送し、そこで周期分極反転リン酸チタニルカリウム（PPKTP）非線形結晶を励起。
成果：ゴーストイメージングの可視性と画像再構成
自然太陽光の不安定さにもかかわらず、このセットアップは強い位置相関を持つ光子対の生成に成功しました。研究者は生成した光子対を用いてゴーストイメージングを実施し、以下の結果を得ています。
- ゴーストイメージングの可視性は 90.7 % を達成。これは同等のポンプパワーで動作する標準 405 nm レーザーが生成する 95.5 % に近い数値です。
- 単純な二重スリット画像化に留まらず、「ゴースト顔」と呼ばれる詳細な二次元画像の再構成にも成功。
- 太陽光の広帯域スペクトルが結晶内部で疑似位相整合を支援し、多様な光子対の生成を可能にした。
- 長期データ取得により、信号対ノイズ比とコントラスト対ノイズ比の双方が改善され、太陽光の変動下でも安定した性能が確認された。
技術的意義と将来展望
本実験は、太陽光励起型 SPDC とゴーストイメージングを組み合わせた実証に初めて成功した例です。レーザーや外部電力を排除することで、相関光子対の完全に受動的なソースが実現しました。
研究者は、この技術が遠隔環境や宇宙ベースのアプリケーションにおける量子イメージン
元記事: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260517211424.htm