Gewöhnliches Sonnenlicht kann eines der empfindlichsten Phänomene der Physik hervorbringen. Forscher haben erstmals nachgewiesen, dass sich Quantenverschränkung zwischen Photonen direkt aus konzentriertem Tageslicht erzeugen lässt, ganz ohne Laser. Die Qualität der verschränkten Lichtteilchen erreichte dabei eine Fidelität von nahezu 94 Prozent und damit fast das Niveau etablierter Laborquellen. Das Ergebnis widerlegt eine jahrzehntealte Grundannahme der Quantenoptik und eröffnet einen Weg zu deutlich energieeffizienteren Quantentechnologien.
Verschränkte Photonen sind Paare von Lichtteilchen, deren Eigenschaften auf eine Weise miteinander verknüpft bleiben, die sich mit klassischer Physik nicht erklären lässt. Misst man den Zustand des einen Teilchens, steht der des anderen augenblicklich fest, unabhängig von der Entfernung. Auf diesem Effekt beruhen zentrale Anwendungen wie abhörsichere Kommunikation, hochpräzise Sensorik und leistungsfähige Quantenrechner. Erzeugt werden solche Paare üblicherweise durch die sogenannte spontane parametrische Fluoreszenz, bei der ein Pumpstrahl in einem nichtlinearen Kristall einzelne Photonen in zwei Tochterteilchen aufspaltet. Als Pumpquelle galten dafür ausschließlich Laser als geeignet, denn nur sie liefern nach bisheriger Auffassung die nötige Kohärenz und Leistungsdichte. Sonnenlicht ist dagegen räumlich und zeitlich ungeordnet, stark divergent und über ein breites Farbspektrum verteilt.
Ein Team des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen und der University of Ottawa um den Quantenoptiker Robert Boyd hat diese Lehrmeinung nun experimentell widerlegt. Die Forscher sammelten Sonnenlicht über eine Fläche von 1,4 Quadratmetern und bündelten es mit einem eigens entwickelten kegelförmigen Sonnenkonzentrator aus Glas auf einen millimeterkleinen nichtlinearen Kristall. Der optische Aufbau war so gestaltet, dass weder die Farbvielfalt noch die unterschiedlichen Einfallswinkel des Lichts die Polarisationszustände der erzeugten Photonen störten. Die am 5. August 2026 im Fachjournal Optica veröffentlichte Studie zeigt, dass auf diese Weise polarisationsverschränkte Photonenpaare entstehen, deren Korrelationen sogar die Bellsche Ungleichung verletzen und damit zweifelsfrei quantenmechanischer Natur sind.
Zur Bewertung der Qualität vermaßen die Forscher den erzeugten Quantenzustand mit der Methode der Quantenzustandstomographie. Das Ergebnis entsprach zu rund 94 Prozent einem perfekt verschränkten Zustand, ein Wert, der nur knapp unter dem liegt, was laserbasierte Systeme erreichen. Auch die Effizienz des Umwandlungsprozesses war nach Berücksichtigung der spektralen Bandbreite mit konventionellen Ansätzen vergleichbar. Grundlage des Erfolgs waren frühere Arbeiten der Gruppe, die bereits mit inkohärentem Licht aus Leuchtdioden verschränkte Photonen erzeugt hatte. Der Schritt zum Sonnenlicht galt dennoch als ungleich schwieriger, weil natürliches Licht in nahezu jeder Eigenschaft ungeordnet ist. Dass die Verschränkung trotzdem entsteht, belegt nach Ansicht der Autoren, dass Licht in einer Eigenschaft völlig chaotisch sein kann und dennoch in einer anderen perfekte Quantenkorrelationen hervorbringt.
Details zum Aufbau und zu den Messungen beschreibt die Studie im Fachjournal Optica auf Grundlage mehrtägiger Messreihen unter freiem Himmel. Nach Angaben der beteiligten Max-Planck-Forscherin Hanieh Fattahi ist Sonnenlicht in vielen Umgebungen eine zuverlässige und praktisch unbegrenzte Ressource, ganz besonders im Weltraum. Die Fähigkeit, verschränkte Photonen direkt daraus zu gewinnen, könnte deshalb einfachere und robustere Quantensysteme ermöglichen.
Die praktische Bedeutung liegt vor allem im Energieverbrauch, denn heutige Quantentechnologien hängen an leistungsstarken Lasern, deren Strombedarf mit wachsender Verbreitung zum Engpass werden könnte. Eine Quelle, die stattdessen kostenloses Tageslicht nutzt, wäre für Satelliten und künftige Missionen in den tiefen Weltraum besonders attraktiv, wo jedes Watt zählt und Sonnenlicht im Überfluss vorhanden ist. Denkbar wären etwa Satelliten, die Verschlüsselungsschlüssel direkt aus dem Licht der Sonne erzeugen. Wie empfindlich Quantenzustände sind und wie aufwendig ihre Kontrolle bislang ist, zeigen auch Experimente, bei denen ein einzelnes Antiproton als Qubit dient. Die Autoren erwarten, dass ihre Arbeit zahlreiche Folgeexperimente in der nichtlinearen Optik anstoßen und sonnenlichtbetriebene Quantentechnologie praxistauglich machen wird.
Optica, Generating quantum entanglement from sunlight; doi:10.1364/OPTICA.601797