长期以来，量子技术界一直认为，纠缠这种支撑量子计算和安全通信的粒子间联系离不开激光。激光是相干的：其光波步调一致、颜色单一，这种有序性在过去看来是让非线性晶体把光子分裂成纠缠光子对的必要条件。如今，渥太华大学与马克斯·普朗克光科学研究所的一个团队以最直接的方式打破了这一假设：他们将一台太阳能聚光器对准天空，在户外用普通的太阳光生成了纠缠光子。
这项发表在期刊《Optica》上的实验，为罗伯特·博伊德（Robert Boyd）团队内部持续了十年的争论画上了句号：相干性其实并非必要条件。即使光在其他属性（如颜色和方向）上完全无序，纠缠仍可以寄居于光的某一属性，即偏振之中。该团队先用发光二极管（LED）证明了这一点，LED 是非相干光源，却能产生偏振纠缠光子。太阳光是更难的一关：它向四面八方发散，包含彩虹般的各种颜色，而该领域一些最知名的研究者甚至怀疑，太阳光驱动的非线性过程能否产生任何光子，更不用说纠缠光子了。
这套装置堪称一次”汇聚混乱”的练习。一块大小约相当于家用窗户的菲涅尔透镜收集直射阳光；由马克斯·普朗克研究所哈尼赫·法塔希（Hanieh Fattahi）团队制造的锥形玻璃聚光器，把光线导入一根粗细约如人发的光纤。汇聚后的太阳光在空间和时间上仍然高度不相干，经过偏振处理后进入一块周期性极化磷酸钛氧钾晶体，在那里，自发参量下转换把一个个泵浦光子分裂成在偏振上相互纠缠的光子对。
实验结果达到了真正量子纠缠的标准。量子态层析重建出的双光子态，共轭度（concurrence）为 0.905±0.053（该标度下 1 代表最大纠缠），相对理想贝尔态的保真度为 0.939。测得的 CHSH 贝尔参数为 2.54，超出经典极限值 2 约 2.5 个标准差，排除了任何局域隐变量解释。按泵浦功率归一化后的光子对产生速率与激光泵浦光源相当。
这项成果的意义一部分在于实用，一部分在于观念。激光器消耗数瓦电力，却只输出毫瓦级的光功率，量子系统的低温与真空基础设施还会带来更多能耗；信息与通信技术行业目前已占全球温室气体排放的几个百分点。除晶体的温度控制外，太阳光泵浦光源是第一种无需输入电能即可运行的纠缠光子源。研究者把目光投向卫星：卫星沐浴在未经滤除的太阳光中，目前为量子密钥分发搭载着激光器，改用太阳能光源可以省去大量配套硬件。同样的逻辑也适用于在不增加能源负担的前提下扩展量子计算的规模。
观念层面的意义更为微妙，也可以说更为重要。实验表明，光源在一个自由度上的相干性并不会限制其在另一个自由度上所能实现的纠缠。团队的设计使颜色和传播方向的差异不会影响光子的偏振；理论预测，如果纠缠只存在于偏振之中，那么起作用的便是泵浦光在振荡方向上的有序性，而非其方向或颜色。实验用自然光证实了这一预测。
这些局限是如实坦言的。实验在户外进行，天气和一天中的时段都会影响耦合功率；团队测到了泵浦功率的昼夜变化，在相关带宽内送入晶体的 100 至 200 nW，只是激光器所能提供功率的很小一部分。探测到的光子对速率并不高，约为每秒每毫瓦（mW）泵浦功率 1600 对，太阳光利用效率还受到晶体狭窄的相位匹配带宽制约。要把原理验证变成可部署的装置，还需要工程上的努力：提高光源亮度、拓宽相位匹配带宽。
与激光泵浦光源的比较需要更细致的辨析。按泵浦光谱带宽归一化后，太阳光驱动的光子对产生速率与基于激光的自发参量下转换（SPDC）相当；区别在于，激光把功率集中到一条狭窄的谱线上，而太阳光把能量铺展在宽光谱上，因此太阳光的绝对光子对速率要低得多。该团队的成就并不在于太阳光胜过激光，而在于它居然能够工作，并且纠缠质量这一对量子信息至关重要的属性与激光光源相当。在太空这样电力充沛且免费的场景中，这种取舍便有了吸引力：卫星的太阳能电池板早已存在，一台聚光器加一块晶体就能取代激光器及其配套电子设备。
这一成果还有一条历史脉络。同一个团队顶着整个领域的怀疑，花费多年论证非相干光也能产生纠缠：先是在理论上，然后用 LED，现在用太阳光。每一步都让演示从实验室走向现实世界；这套带有菲涅尔透镜和太阳跟踪器的户外装置，是一种真正不同类型的量子实验：它取决于天气。实验结果还厘清了相干性与纠缠之间的基本关系，表明两者在不同自由度上是解耦的，而此前的理论并未充分认识到这一点。
尽管如此，这项演示还是合上了量子光学的一章，而大多数研究者原本以为，这一章在翻开之前就已经合上了。团队当年遭遇的怀疑，连一些知名学者都质疑能否从太阳光驱动的下转换中探测到光子，反而让这项成果更显锋芒：纠缠的物理并不需要实验室里最昂贵的设备，阳光就足以让它运转。
婷 翻译
来源：Li, C., Brar, J., Küblböck, M., Upham, J., Fattahi, H. & Boyd, R.W. Generating quantum entanglement from sunlight. Optica 13, 1508 (2026). DOI: 10.1364/OPTICA.601797. 预印本：arXiv:2602.15655.