Sub-cycle metrology of bright quantum light

Dans le monde de la lumière, nous pensons souvent aux photons comme à de petits paquets d'énergie discrets, tels des grains de sable. Lorsque ces grains sont piégés dans une boîte, comme une cavité laser, ils se comportent de manière très ordonnée, créant un rythme prévisible qui se répète sans cesse. Pendant des décennies, les scientifiques ont étudié cette lumière en mesurant le comportement moyen de ces grains sur de nombreux cycles de leur onde. Cette approche fonctionne bien pour beaucoup de choses, mais elle cache un détail crucial : ce qui se passe dans la fraction de seconde entre un cycle et le suivant. Aux vitesses incroyablement rapides où la lumière interagit avec la matière, surtout lorsque la lumière est intense, l'histoire change. Le champ électrique de la lumière ne se contente pas de s'averaged (se moyenner) ; il fluctue de manière sauvage et aléatoire au cours d'un seul cycle. Comprendre ces moments éphémères est essentiel pour débloquer la manière dont la lumière peut contrôler les électrons dans les matériaux ou générer de nouvelles formes de lumière, mais jusqu'à présent, ces événements sous-cycliques étaient invisibles pour nos instruments.

Une équipe de chercheurs a désormais capturé ces moments cachés, révélant que la lumière quantique brillante ne coule pas comme un fleuve paisible, mais jaillit en une série de bouffées chaotiques localisées dans le temps. En utilisant une technique adaptée du domaine de la science attoseconde, ils ont mesuré le champ électrique d'un type spécial de lumière appelé vide compressé brillant (bright squeezed vacuum). Cette lumière est générée en divisant une impulsion laser à l'intérieur d'un cristal, créant un état où le nombre de photons fluctue violemment. Les chercheurs ont découvert qu'au sein de chaque impulsion de cette lumière, l'énergie n'arrive pas sous la forme d'une onde unique et continue. Au lieu de cela, elle apparaît comme une collection de bouffées indépendantes, ne durant que quelques femtosecondes chacune. Une femtoseconde est un quadrillionième de seconde, une échelle de temps si brève que la lumière ne parcourt que quelques micromètres pendant sa durée. Ces bouffées sont stochastiques, ce qui signifie qu'elles surviennent de manière aléatoire, et leurs phases — le timing de leurs pics et de leurs creux — basculent de manière imprévisible entre deux valeurs.

Pour voir cela, l'équipe a superposé le vide compressé brillant avec une impulsion de référence cohérente sur un capteur de caméra à silicium standard. Comme le silicium est transparent à la couleur spécifique de la lumière utilisée, les chercheurs se sont appuyés sur un effet non linéaire où les deux faisceaux interagissent pour générer brièvement des porteurs électriques dans le capteur. Cette interaction s'est produite uniquement dans une fenêtre de temps minuscule, agissant efficacement comme un obturateur à haute vitesse qui figeait le mouvement de l'onde lumineuse. En inclinant légèrement les faisceaux pour qu'ils se croisent selon un petit angle, ils ont projeté l'évolution temporelle de la lumière sur les dimensions spatiales du capteur de la caméra. Chaque cliché unique pris par la caméra révélait la forme entière de la forme d'onde du champ électrique pour cette impulsion laser spécifique. Cette méthode a permis de reconstruire la forme du champ électrique avec une précision sous-cyclique, observant les bouffées individuelles qui composent l'impulsion.

L'analyse de milliers de ces clichés a montré que la lumière est composée de bouffées qui sont largement indépendantes les unes des autres. Dans environ la moitié des impulsions laser, les chercheurs ont observé une seule bouffée dominante. Dans l'autre moitié, ils ont vu deux ou plusieurs bouffées se succédant rapidement. Le timing de ces bouffées n'était pas fixe ; elles apparaissaient à des intervalles aléatoires au sein de l'enveloppe de l'impulsion. Crucialement, les chercheurs ont découvert que la phase de chaque bouffée, qui détermine l'orientation de son champ électrique, basculait aléatoirement entre deux états séparés par un angle spécifique. Cette distribution bimodale est une signature de la nature quantique du vide compressé. Cela signifie que pour toute bouffée donnée, le champ électrique pointe dans l'une des deux directions opposées, et quelle direction il pointe est fondamentalement aléatoire.

Cette découverte a des implications immédiates pour la génération de l'aléatoire. Parce que la phase de chaque bouffée est un événement quantique véritable, elle ne peut être prédite par aucun moyen classique. Les chercheurs ont utilisé cette propriété pour créer un flux de bits aléatoires. En assignant une valeur binaire à la phase de chaque bouffée, ils ont généré une séquence de zéros et de un qui a passé des tests statistiques rigoureux de l'aléatoire. Bien que leur configuration actuelle produise des bits à un taux limité par la répétition du laser, la méthode elle-même ouvre la voie à la génération de nombres aléatoires à des fréquences pétaherz. Un pétaherz est un quadrillion de cycles par seconde, une vitesse qui dépasse de loin ce que les ordinateurs électroniques actuels peuvent traiter. Si la technologie peut être mise à l'échelle pour résoudre davantage de bouffées au sein d'une seule impulsion, le taux de génération de nombres aléatoires pourrait atteindre ces vitesses sans précédent, révolutionnant potentiellement les communications sécurisées et l'informatique à haute vitesse.

Au-delà de l'aléatoire, la capacité de voir le champ lumineux avec un tel détail a permis aux scientifiques de mesurer comment la lumière est corrélée avec elle-même dans le temps. Ils ont calculé comment l'intensité et la phase de la lumière à un instant donné se rapportent à la lumière un instant légèrement plus tard. Ils ont trouvé que près du centre de l'impulsion, là où la lumière est la plus forte, le comportement ressemble à celui d'un mode de lumière unique et isolé. Cependant, en regardant vers les bords de l'impulsion, le comportement changeait. Les valeurs de corrélation chutaient, indiquant que plusieurs bouffées indépendantes se chevauchaient et interféraient entre elles. Cette observation a confirmé que la lumière n'est pas une entité unique et continue, mais une collection de modes distincts confinés dans le temps. Les données correspondaient à un modèle théorique basé sur des modes limités dans le temps, suggérant que ce cadre est la bonne façon de décrire le comportement de la lumière dans ces régimes de haute intensité et d'ultrafast (ultrarapide).

Ce travail jette un pont entre deux domaines auparavant séparés : la métrologie attoseconde, qui traite des mesures les plus rapides de la lumière, et l'optique quantique, qui étudie les propriétés statistiques des photons. En apportant l'optique quantique dans le domaine temporel sous-cyclique, les chercheurs ont montré que le comportement quantique de la lumière n'est pas seulement une moyenne statistique dans le temps, mais un processus dynamique qui évolue en temps réel. La nature stochastique de ces bouffées, avec leurs phases aléatoires et leurs fluctuations indépendantes, offre une fenêtre directe sur le vide quantique. Cette recherche démontre qu'avec les bons outils, nous pouvons mesurer l'état quantique de la lumière tel qu'il évolue, transformant l'aléatoire inhérent du monde quantique en une ressource mesurable à large bande passante. Les conclusions suggèrent que l'avenir du traitement de l'information quantique pourrait résider dans l'exploitation de ces fluctuations à l'échelle de la femtoseconde, transformant les bouffées chaotiques de la lumière quantique en un moteur puissant pour l'aléatoire certifié et l'électronique ultra-rapide.