Tunable spectral correlations of highly multimode visible light via broadband quantum frequency conversion

La luce è molto più di un semplice raggio che illumina una stanza; è un complesso portatore di informazioni, capace di contenere dati in molti modi diversi contemporaneamente. Gli scienziati che lavorano con la fisica quantistica cercano da tempo di sfruttare questi strati nascosti per costruire computer in grado di risolvere problemi impossibili per le macchine odierne, o sensori capaci di rilevare i più deboli sussurri dell'universo. Per farlo, utilizzano spesso un tipo speciale di luce chiamato "luce compressa" (squeezed light). Immaginate un palloncino che è stato schiacciato in modo da diventare molto sottile in una direzione ma molto lungo in un'altra; nel mondo quantistico, questa compressione riduce l'incertezza di una specifica proprietà della luce, rendendola uno strumento potente per la precisione. Per anni, i ricercatori sono stati in grado di creare questa luce compressa utilizzando lunghezze d'onda dell'infrarosso, che sono invisibili all'occhio umano e viaggiano bene attraverso le fibre di vetro utilizzate nelle telecomunicazioni. Tuttavia, è esistito un importante collo di bottiglia: le migliori fotocamere per contare le singole particelle di luce, o fotoni, funzionano meglio con la luce visibile, quella che vediamo con i nostri occhi. La luce infrarossa è difficile da rilevare con queste fotocamere sensibili senza l'ausilio di costosa attrezzatura super-raffreddata.

Un team di ricercatori della Cornell University e di NTT Research ha ora colmato questo divario, dimostrando un modo per prendere la luce infrarossa altamente complessa e trasformarla in luce visibile senza perdere le sue delicate proprietà quantistiche. Ci sono riusciti utilizzando un processo chiamato conversione di frequenza adiabatica. Pensate a questo come a un sofisticato traduttore che cambia la "lingua" della luce dall'infrarosso al visibile, ma lo fa in modo così fluido ed efficiente che gli intricati schemi e le correlazioni all'interno della luce rimangono perfettamente intatti. I ricercatori hanno generato uno stato di luce contenente centinaia di distinti canali di frequenza simultaneamente, un traguardo che non era mai stato raggiunto a questa scala prima d'ora. Convertendo questa luce in lunghezze d'onda visibili, sono stati in grado di misurarla utilizzando una fotocamera standard a temperatura ambiente dotata di milioni di minuscoli sensori, invece di fare affidamento su un manipolo di rilevatori specializzati e criogenicamente raffreddati. Questa scoperta suggerisce una nuova strada per costruire sistemi quantistici su larga scala che siano più pratici e facili da scalare.

L'esperimento è iniziato con la creazione della stessa luce compressa. Il team ha utilizzato un dispositivo noto come amplificatore parametrico ottico, che prende un impulso di luce laser e lo divide in coppie di fotoni. A causa del modo in cui funziona questo processo, la luce risultante non è un semplice raggio, ma uno stato altamente strutturato che contiene oltre 400 diverse modalità di frequenza. Queste modalità sono come singole corsie su un'autostrada, ognuna delle quali trasporta il proprio flusso di informazioni, viaggiando tutte insieme. I ricercatori hanno confermato che questa luce era effettivamente in uno stato compresso, il che significa che il rumore nel sistema era inferiore a quello possibile con la luce ordinaria. Hanno misurato lo spettro della luce e hanno scoperto che copriva un intervallo di frequenze massiccio, superando i 45 terahertz. Questa è una larghezza di banda così ampia che sovrasta l'intero intervallo di frequenze utilizzato da tutte le stazioni radio e televisive della Terra messe insieme.

Una volta generata questa complessa luce infrarossa, il team ha affrontato la sfida di convertirla in luce visibile. I tentativi precedenti di cambiare il colore della luce quantistica portavano spesso a una perdita significativa del segnale o a un degrado delle sue proprietà quantistiche. I ricercatori hanno superato questo ostacolo utilizzando la conversione di frequenza adiabatica, una tecnica che si basa su un cambiamento graduale delle condizioni della luce mentre passa attraverso un cristallo speciale. Hanno mescolato la luce infrarossa con un secondo impulso di luce laser, più forte. Modellando attentamente il profilo di questo secondo impulso, hanno guidato i fotoni infrarossi a trasformarsi in fotoni visibili a una lunghezza d'onda di 620 nanometri, che appare come un rosso brillante. Il processo è stato straordinariamente efficiente, convertendo quasi tutta la luce dall'intervallo infrarosso a quello visibile senza sconvolgere l'informazione quantistica.

Il vero test del loro successo è arrivato quando hanno misurato la luce convertita. Hanno diretto il fascio visibile su una fotocamera a dispositivo a carica accoppiata con moltiplicazione elettronica (EMCCD), un tipo di sensore capace di rilevare singoli fotoni con alta precisione. Poiché la luce era ora visibile, la fotocamera poteva catturare l'intero spettro in una sola volta, agendo come un array di milioni di rilevatori che lavorano in parallelo. I ricercatori hanno osservato che la luce che colpiva la fotocamera conteneva una media di quasi 700 fotoni per impulso, distribuiti su centinaia di modalità di frequenza. Più importante ancora, i pattern statistici di questi fotoni corrispondevano alle previsioni per la luce compressa. Le correlazioni tra le diverse modalità di frequenza rimanevano forti, provando che il processo di conversione aveva preservato la natura quantistica della luce. Questa è stata una scoperta critica, poiché ha dimostrato che lo delicato stato quantistico poteva sopravvivere al viaggio dallo spettro infrarosso a quello visibile.

Oltre a convertire semplicemente la luce, il team ha dimostrato di poter manipolare le relazioni tra le diverse modalità di frequenza durante il processo di conversione. Alterando la forma del impulso laser utilizzato per guidare la conversione, potevano cambiare il modo in cui le diverse parti della luce interagivano tra loro. Questo è simile all'avere un divisore di fascio programmabile che può mescolare e abbinare centinaia di canali di luce in tempo reale. La capacità di controllare queste correlazioni è essenziale per le avanzate attività di calcolo quantistico, dove la disposizione delle particelle entangled determina l'esito di un calcolo. I ricercatori hanno dimostrato di poter creare diversi pattern di entanglement semplicemente regolando la forma dell'impulso, programmando efficacemente lo stato quantistico mentre veniva convertito.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono al futuro della tecnologia quantistica. Dimostrando che la luce compressa altamente multimodale può essere generata, manipolata e misurata con alta efficienza utilizzando rilevatori di luce visibile, i ricercatori hanno rimosso una barriera significativa alla scalabilità dei sistemi quantistici. L'uso della tecnologia fotografica standard, che è compatta, relativamente economica e opera a temperatura ambiente, offre un'alternativa pratica alle complesse configurazioni criogeniche attualmente richieste per il rilevamento dell'infrarosso. Il team stima che il loro metodo potrebbe supportare sistemi con migliaia di modalità, superando di gran lunga le capacità dei precedenti esperimenti. Sebbene l'attuale configurazione presenti dei limiti in termini di velocità con cui la luce può essere elaborata e di precisione del controllo su ogni singola modalità, la prova di concetto è solida. I ricercatori hanno dimostrato che il dominio della frequenza è una piattaforma vitale e potente per l'informazione quantistica, aprendo la porta a nuovi esperimenti nel sensing e nel calcolo quantistico che prima erano fuori portata.

Questo traguardo rappresenta un passo significativo verso l'applicazione pratica dell'ottica quantistica. Avvicina il campo all'obiettivo di costruire computer e sensori quantistici su larga scala che possano operare al di fuori di ambienti di laboratorio specializzati. La capacità di generare e misurare centinaia di modalità di luce compressa simultaneamente, e di farlo con alta efficienza e programmabilità, fornisce una base robusta per i futuri sviluppi. Mentre i ricercatori continuano a perfezionare le loro tecniche, in particolare migliorando la velocità di rilevamento e la precisione della modellazione dell'impulso, il potenziale di questi sistemi per risolvere problemi complessi del mondo reale cresce. Il lavoro testimonia la potenza di combinare diversi settori della fisica per superare gli ostacoli tecnici, trasformando una possibilità teorica in una realtà tangibile.