Sub-cycle metrology of bright quantum light

In der Welt des Lichts denken wir oft, Photonen seien winzige, diskrete Energiepakete, vergleichbar mit Sandkörnern. Wenn diese Körner in einer Box, wie etwa einem Laserresonator, gefangen sind, verhalten sie sich sehr geordnet und erzeugen einen vorhersehbaren Rhythmus, der sich immer wiederholt. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler dieses Licht untersucht, indem sie das durchschnittliche Verhalten dieser Körner über viele Zyklen ihrer Welle hinweg gemessen haben. Dieser Ansatz funktioniert für viele Dinge gut, verbirgt jedoch ein entscheidendes Detail: was in dem Bruchteil einer Sekunde zwischen einem Zyklus und dem nächsten geschieht. Bei den unglaublich hohen Geschwindigkeiten, mit denen Licht mit Materie interagiert – insbesondere wenn das Licht intensiv ist –, ändert sich die Geschichte. Das elektrische Feld des Lichts mittelt sich nicht einfach heraus; es fluktuiert innerhalb eines einzelnen Zyklus wild und zufällig. Das Verständnis dieser flüchtigen Momente ist essenziell, um zu entschlüsseln, wie Licht Materie steuern oder neue Formen von Licht erzeugen kann, aber bis jetzt waren diese Sub-Zyklus-Ereignisse für unsere Instrumente unsichtbar.

Einem Forscherteam ist es nun gelungen, diese verborgenen Momente einzufangen, wobei sie aufzeigten, dass helles Quantenlicht nicht wie ein glatter Fluss fließt, sondern in einer Serie von chaotischen, zeitlich lokalisierten Ausbrüchen eruptiert. Mit einer aus dem Bereich der Attosekunden-Wissenschaft adaptierten Technik maßen sie das elektrische Feld einer speziellen Art von hellem Licht, das als „bright squeezed vacuum“ (helles gequetschtes Vakuum) bezeichnet wird. Dieses Licht wird durch das Spalten eines Laserpulses in einem Kristall erzeugt, wodurch ein Zustand entsteht, in dem die Anzahl der Photonen wild fluktuiert. Die Forscher fanden heraus, dass die Energie innerhalb jedes Pulses dieses Lichts nicht als eine einzige, kontinuierliche Welle ankommt. Stattdessen erscheint sie als eine Sammlung unabhängiger Ausbrüche, die jeweils nur wenige Femtosekunden dauern. Ein Femtosekunde ist ein Quadrillionstel einer Sekunde, eine Zeitskala, die so kurz ist, dass Licht während ihrer Dauer nur wenige Mikrometer zurücklegt. Diese Ausbrüche sind stochastisch, was bedeutet, dass sie zufällig auftreten, und ihre Phasen – also das Timing ihrer Spitzen und Täler – springen unvorhersehbar zwischen zwei Werten hin und her.

Um dies zu sehen, überlagerten das Team das helle gequetschte Vakuum mit einem kohärenten Referenzpuls auf einem Standard-Silizium-Kamerasensor. Da Silizium für die spezifische Farbe des verwendeten Lichts transparent ist, verließen sich die Forscher auf einen nichtlinearen Effekt, bei dem die beiden Strahlen kurzzeitig elektrische Ladungsträger im Sensor erzeugen, während sie miteinander interagieren. Diese Interaktion fand nur in einem winzigen Zeitfenster statt, was effektiv wie ein Hochgeschwindigkeitsverschluss wirkte, der die Bewegung der Lichtwelle „einfuhr“. Durch ein leichtes Kippen der Strahlen, sodass sie in einem kleinen Winkel kreuzten, bildeten sie die zeitliche Entwicklung des Lichts auf die räumlichen Dimensionen des Kamera-Sensors ab. Jeder einzelne von der Kamera aufgenommene Schnappschuss enthüllte die gesamte elektrische Feldform dieser spezifischen Laserentladung. Diese Methode ermöglichte es ihnen, die Form des Lichtfeldes mit Sub-Zyklus-Präzision zu rekonstruieren und die einzelnen Ausbrüche zu sehen, die den Puls ausmachen.

Die Analyse von tausenden dieser Schnappschüsse zeigte, dass das Licht aus Ausbrüchen besteht, die weitgehend unabhängig voneinander sind. In etwa der Hälfte der Laserentladungen beobachteten die Forscher einen einzigen dominanten Ausbruch. In der anderen Hälfte sahen sie zwei oder mehr Ausbrüche, die in schneller Folge auftraten. Das Timing dieser Ausbrüche war nicht fixiert; sie traten in zufälligen Intervallen innerhalb der Puls-Hüllkurve auf. Entscheidend war, dass die Forscher entdeckten, dass die Phase jedes Ausbruchs – welche die Orientierung seines elektrischen Feldes bestimmt – unvorhersehbar zwischen zwei Zuständen wechselte, die durch einen spezifischen Winkel getrennt sind. Diese bimodale Verteilung ist ein Kennzeichen der Quantennatur des gequetschten Vakuums. Das bedeutet, dass das elektrische Feld eines jeden gegebenen Ausbruchs in eine von zwei entgegengesetzten Richtungen zeigt, und welche Richtung es ist, ist fundamental zufällig.

Diese Entdeckung hat unmittelbare Auswirkungen auf die Erzeugung von Zufälligkeit. Da die Phase jedes Ausbruchs ein echtes Quantenereignis ist, kann sie durch keine klassischen Mittel vorhergesagt werden. Die Forscher nutzten diese Eigenschaft, um einen Strom von Zufallsbits zu erzeugen. Indem sie jedem der Phasen eines Ausbruchs einen binären Wert zuordneten, generierten sie eine Sequenz aus Nullen und Einsen, die rigorose statistische Tests auf Zufälligkeit bestand. Während ihr aktueller Aufbau eine Bitrate lieferte, die durch die Repetitionsrate des Lasers begrenzt war, öffnet die Methode selbst die Tür zur Generierung von Zufallszahlen mit Petahertz-Frequenzen. Ein Petahertz ist eine Quadrillion Zyklen pro Sekunde, eine Geschwindigkeit, die weit über das hinausgeht, was aktuelle elektronische Computer verarbeiten können. Wenn die Technologie skaliert werden kann, um mehr Ausbrüche innerhalb eines einzelnen Pulses aufzulösen, könnte die Rate der Zufallszahlengenerierung diese beispiellosen Geschwindigkeiten erreichen, was die sichere Kommunikation und das Hochleistungscomputing potenziell revolutionieren könnte.

Über die Zufälligkeit hinaus ermöglichte es die Fähigkeit, das Lichtfeld in dieser Detailtiefe zu sehen, den Wissenschaftlern auch zu messen, wie das Licht mit sich selbst über die Zeit korreliert. Sie berechneten, wie die Intensität und die Phase des Lichts in einem Moment mit dem Licht zu einem etwas späteren Zeitpunkt zusammenhängen. Sie fanden heraus, dass das Verhalten nahe der Mitte des Pulses, wo das Licht am stärksten ist, dem eines einzelnen, isolierten Lichtmodus ähnelt. Doch als sie sich den Rändern des Pulses näherten, änderte sich das Verhalten. Die Korrelationswerte sanken, was darauf hindeutete, dass mehrere unabhängige Ausbrüche miteinander überlappen und interferieren. Diese Beobachtung bestätigte, dass das Licht kein einzelnes, kontinuierliches Gebilde ist, sondern eine Sammlung distinkter, zeitlich begrenzter Modi. Die Daten stimmten mit einem theoretischen Modell überein, das auf zeitlich begrenzten Modi basiert, was darauf hindeutet, dass dieser Rahmen die korrekte Art und Weise ist, um zu beschreiben, wie sich Licht in diesen ultrakurzen, hochintensiven Regimen verhält.

Die Arbeit schlägt eine Brücke zwischen zwei zuvor getrennten Feldern: der Attosekunden-Metrologie, die sich mit den schnellsten Messungen des Lichts befasst, und der Quantenoptik, die die statistischen Eigenschaften von Photonen untersucht. Indem sie die Quantenoptik in den Sub-Zyklus-Zeitbereich brachten, haben die Forscher gezeigt, dass das Quantenverhalten von Licht nicht nur ein statistischer Durchschnitt über die Zeit ist, sondern ein dynamischer Prozess, der sich in Echtzeit entwickelt. Die stochastische Natur dieser Ausbrüche mit ihren zufälligen Phasen und unabhängigen Fluktuationen bietet ein direktes Fenster in das Quantenvakuum. Diese Forschung demonstriert, dass wir mit den richtigen Werkzeugen den Quantenzustand des Lichts messen können, während er sich entwickelt, und die inhärente Zufälligkeit der Quantenwelt in eine messbare, hochbandbreitige Ressource verwandeln können. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Zukunft der Quanteninformationsverarbeitung darin liegen könnte, diese Femtosekunden-skaligen Fluktuationen zu nutzen und die chaotischen Ausbrüche des Quantenlichts in einen leistungsstarken Motor für zertifizierte Zufälligkeit und ultraschnelle Elektronik zu verwandeln.