Sub-cycle metrology of bright quantum light

En el mundo de la luz, a menudo pensamos en los fotones como pequeños paquetes discretos de energía, como granos de arena. Cuando estos granos quedan atrapados dentro de una caja, como una cavidad láser, se comportan de una manera muy ordenada, creando un ritmo predecible que se repite una y otra vez. Durante décadas, los científicos han estudiado esta luz midiendo el comportamiento promedio de estos granos a lo largo de muchos ciclos de su onda. Este enfoque funciona bien para muchas cosas, pero oculta un detalle crucial: qué sucede en la fracción de segundo entre un ciclo y el siguiente. En las velocidades increíblemente rápidas donde la luz interactúa con la materia, especialmente cuando la luz es intensa, la historia cambia. El campo eléctrico de la luz no solo se promedia; fluctúa de forma salvaje y aleatoria dentro de un solo ciclo. Comprender estos momentos fugaces es esencial para desbloquear cómo la luz puede controlar los electrones en los materiales o generar nuevas formas de luz, pero hasta ahora, estos eventos sub-ciclo habían sido invisibles para nuestros instrumentos.

Un equipo de investigadores ha capturado ahora estos momentos ocultos, revelando que la luz cuántica brillante no fluye como un río suave, sino que estalla en una serie de ráfagas caóticas y localizadas en el tiempo. Utilizando una técnica adaptada del campo de la ciencia de los attosegundos, midieron el campo eléctrico de un tipo especial de luz llamado vacío comprimido brillante (bright squeezed vacuum). Esta luz se genera al dividir un pulso láser dentro de un cristal, creando un estado donde el número de fotones fluctúa violentamente. Los investigadores descubrieron que, dentro de cada pulso de esta luz, la energía no llega como una onda única y continua. En su lugar, aparece como una colección de ráfagas independientes, cada una de las cuales dura solo unos pocos femtosegundos. Un femtosegundo es una milmillonésima de billón de segundo (una cuadrillonésima de segundo), una escala de tiempo tan breve que la luz recorre solo unos pocos micrómetros durante su duración. Estas ráfagas son estocásticas, lo que significa que ocurren de forma aleatoria, y sus fases —el cronometraje de sus picos y valles— cambian de forma impredecible entre dos valores.

Para ver esto, el equipo superpuso el vacío comprimido brillante con un pulso de referencia coherente en un sensor de cámara de silicio estándar. Debido a que el silicio es transparente al color específico de la luz utilizada, los investigadores dependieron de un efecto no lineal donde los dos haces interactúan para generar brevemente portadores eléctricos en el sensor. Esta interacción ocurrió solo dentro de una ventana de tiempo diminuta, actuando efectivamente como un obturador de alta velocidad que congeló el movimiento de la onda de luz. Al inclinar ligeramente los haces para que se cruzaran en un ángulo pequeño, mapearon la evolución temporal de la luz sobre las dimensiones espaciales del sensor de la cámara. Cada instantánea individual tomada por la cámara reveló la forma completa de la onda del campo eléctrico de ese disparo láser específico. Este método les permitió reconstruir la forma del campo de luz con precisión sub-ciclo, viendo las ráfagas individuales que componen el pulso.

El análisis de miles de estas instantáneas mostró que la luz está compuesta por ráfagas que son en gran medida independientes entre sí. En aproximadamente la mitad de los disparos láser, los investigadores observaron una sola ráfaga dominante. En la otra mitad, vieron dos o más ráfagas ocurriendo en rápida sucesión. El cronometraje de estas ráfagas no era fijo; aparecían en intervalos aleatorios dentro de la envolvente del pulso. Crucialmente, los investigadores descubrieron que la fase de cada ráfaga, que determina la orientación de su campo eléctrico, cambiaba aleatoriamente entre dos estados separados por un ángulo específico. Esta distribución bimodal es una firma de la naturaleza cuántica del vacío comprimido. Significa que, para cualquier ráfaga dada, el campo eléctrico apunta en una de dos direcciones opuestas, y cuál dirección apunta es fundamentalmente aleatorio.

Este descubrimiento tiene implicaciones inmediatas para la generación de aleatoriedad. Debido a que la fase de cada ráfaga es un evento cuántico real, no puede ser predicha por ningún medio clásico. Los investigadores utilizaron esta propiedad para crear un flujo de bits aleatorios. Al asignar un valor binario a la fase de cada ráfaga, generaron una secuencia de ceros y unos que pasó rigurosas pruebas estadísticas de aleatoriedad. Aunque su configuración actual producía bits a una tasa limitada por la repetición del láser, el método en sí abre la puerta a la generación de números aleatorios a frecuencias de petahertz. Un petahertz es un cuadrillón de ciclos por segundo, una velocidad que va mucho más allá de lo que los computadores electrónicos actuales pueden procesar. Si la tecnología puede escalarse para resolver más ráfagas dentro de un solo pulso, la tasa de generación de números aleatorios podría alcanzar estas velocidades sin precedentes, revolucionando potencialmente las comunicaciones seguras y la computación de alta velocidad.

Más allá de la aleatoriedad, la capacidad de ver el campo de luz con este detalle permitió a los científicos medir cómo la luz se correlaciona consigo misma a través del tiempo. Calcularon cómo la intensidad y la fase de la luz en un momento dado se relacionan con la luz en un momento ligeramente posterior. Encontraron que cerca del centro del pulso, donde la luz es más fuerte, el comportamiento se asemeja al de un modo único y aislado de luz. Sin embargo, al observar hacia los bordes del pulso, el comportamiento cambió. Los valores de correlación disminuyeron, indicando que múltiples ráfagas independientes se estaban solapando e interfiriendo entre sí. Esta observación confirmó que la luz no es una entidad única y continua, sino una colección de modos distintos confinados en el tiempo. Los datos coincidieron con un modelo teórico basado en modos limitados en el tiempo, lo que sugiere que este marco es la forma correcta de describir cómo se comporta la luz en estos regímenes de alta intensidad y tiempo ultra-rápido.

El trabajo une dos campos previamente separados: la metrología de attosegundos, que trata con las mediciones más rápidas de la luz, y la óptica cuántica, que estudia las propiedades estadísticas de los fotones. Al llevar la óptica cuántica al dominio temporal sub-ciclo, los investigadores han demostrado que el comportamiento cuántico de la luz no es solo un promedio estadístico en el tiempo, sino un proceso dinámico que evoluciona en tiempo real. La naturaleza estocástica de estas ráfagas, con sus fases aleatorias y fluctuaciones independientes, proporciona una ventana directa al vacío cuántico. Esta investigación demuestra que, con las herramientas adecuadas, podemos medir el estado cuántico de la luz mientras evoluciona, convirtiendo la aleatoriedad inherente del mundo cuántico en un recurso medible y de alto ancho de banda. Los hallazgos sugieren que el futuro del procesamiento de información cuántica puede residir en el aprovechamiento de estas fluctuaciones a escala de femtosegundos, convirtiendo las ráfagas caóticas de la luz cuántica en un potente motor para la aleatoriedad certificada y la electrónica ultrafast.