Pulse characterization at the single-photon level through chronocyclic $Q$-function measurements

Nel mondo della luce, esiste una differenza tra un fascio di una torcia e un singolo fotone. Mentre una torcia è un flusso costante di energia, un singolo fotone è il più piccolo pacchetto possibile di luce, una particella discreta che si comporta anche come un'onda. Per decenni, gli scienziati sono stati in grado di misurare con grande precisione le proprietà di potenti e luminosi fasci di luce, mappando i loro colori e la temporizzazione delle loro onde. Tuttavia, quando la luce viene attenuata fino al livello dei singoli fotoni, questi strumenti di misura standard si interrompono. Essi richiedono troppa energia per funzionare, lasciando un punto cieco nella nostra comprensione del mondo quantistico. Questo è un problema significativo perché il futuro della tecnologia quantistica, dalle comunicazioni ultra-sicure alla sensoristica avanzata, dipende dalla manipolazione di queste singole particelle di luce. Per costruire queste tecnologie, i ricercatori devono essere in grado di vedere esattamente come appare un singolo fotone in termini di colore e di temporizzazione, un compito che si è rivelato difficile senza distruggere il delicato stato della luce nel processo.

Un team di ricercatori in Germania e nella Repubblica Ceca ha ora sviluppato un nuovo modo per risolvere questo problema. Hanno creato un metodo per mappare la forma complessa di un singolo fotone senza dover sapere nulla di esso in precedenza. Invece di cercare di costringere la luce a rivelare i suoi segreti attraverso interazioni ad alta potenza, hanno utilizzato un approccio gentile e indiretto, ispirato a come i fisici descrivono la posizione e la quantità di moto delle particelle. Hanno trattato la temporizzazione e il colore dell'impulso luminoso come una sorta di mappa, simile a come si potrebbe mappare la posizione e la velocità di un'auto. Proiettando il fotone sconosciuto su una serie di forme di riferimento semplici e note, sono stati in grado di costruire un quadro completo della struttura del fotone. Questo processo è simile al prendere una fotografia di un oggetto da molte angolazioni diverse per ricostruirne la forma tridimensionale, ma in questo caso, le "angolazioni" sono diverse combinazioni di tempo e colore.

L'esperimento si è svolto in un laboratorio dotato di attrezzature specializzate progettate per gestire la luce al livello del singolo fotone. I ricercatori sono partiti con un laser che produceva impulsi di luce, che hanno poi suddiviso. Una parte del fascio è stata utilizzata per creare gli impulsi di test, che sono stati accuratamente modellati per avere schemi specifici e complessi di colore e temporizzazione. Questi schemi includevano caratteristiche difficili come salti improvvisi nella temporizzazione delle onde e aree in cui l'intensità della luce scendeva a zero. Tali caratteristiche sono notoriamente difficili da misurare perché confondono molte tecniche esistenti. L'altra parte del raggio laser è stata modellata in un impulso di riferimento fluido e prevedibile. Questo impulso di riferimento è stato poi inviato attraverso un cristallo speciale, un dispositivo noto come porta a impulso quantistico (quantum pulse gate), che ha agito come un filtro.

Il nucleo dell'esperimento consisteva nel mescolare l'impulso di test sconosciuto con l'impulso di riferimento all'interno di questo cristallo. Il cristallo è stato progettato per convertire la luce in un nuovo colore solo se l'impulso di test corrispondeva al riferimento in un modo molto specifico. Cambiando la temporizzazione e il colore dell'impulso di riferimento e contando quanti nuovi fotoni venivano creati, i ricercatori potevano determinare quanto bene l'impulso di test corrispondesse a ciascun riferimento specifico. Hanno ripetuto questo processo migliaia di volte, spostando leggermente il riferimento ogni volta, per coprire un ampio intervallo di possibilità. Il risultato è stato una mappa dettagliata, nota come funzione Q cronociclica, che mostrava la probabilità che l'impulso di test corrispondesse a ogni possibile forma di riferimento. Questa mappa conteneva tutta l'informazione necessaria per descrivere l'impulso di test, incluso il suo intero spettro di colori e la precisa temporizzazione delle sue onde.

Per trasformare questa mappa in una descrizione chiara della luce, il team ha utilizzato una potente tecnica matematica chiamata stima di massima verosimiglianza. Questo metodo è simile al risolvere un puzzle in cui si hanno tutti i pezzi ma è necessario trovare l'unica disposizione che meglio si adatta all'immagine. Ha permesso loro di ricostruire la forma originale del singolo fotone direttamente dai dati, senza dover indovinare o assumere nulla su come la luce dovrebbe apparire. I ricercatori hanno testato il loro metodo su diversi tipi di impulsi luminosi, inclusi quelli con i salti difficili e le zone d'ombra menzionati in precedenza. In ogni caso, il metodo ha recuperato con successo la forma originale con un'elevata precisione. Le immagini ricostruite degli impulsi luminosi corrispondevano quasi perfettamente alle previsioni teoriche, con un punteggio di somiglianza superiore al 97 percento nella maggior parte dei casi.

Il successo di questa tecnica è significativo perché funziona anche quando la luce è estremamente debole e quando l'impulso ha una struttura complicata che metterebbe in difficoltà altri metodi. A differenza delle tecniche più vecchie che faticano quando l'intensità della luce scende a zero o quando la temporizzazione dell'onda cambia bruscamente, questo nuovo approccio gestisce tali sfide in modo naturale. Non richiede che la luce sia brillante o che le misurazioni siano perfettamente stabili nel modo in cui lo richiedono i tradizionali interferometri. I ricercatori hanno scoperto che il loro metodo poteva identificare accuratamente caratteristiche come i salti di fase improvvisi e le regioni di intensità zero, che sono critiche per comprendere come l'informazione quantistica sia trasportata dalla luce. Questa capacità suggerisce che la tecnica potrebbe essere immediatamente utile anche per caratterizzare gli impulsi di luce classica, non solo quelli quantistici, offrendo uno strumento robusto per qualsiasi campo che richieda la misurazione precisa di luce ultrafast.

Lo studio dimostra che è possibile caratterizzare completamente la complessa ampiezza spettrale dei campi di luce al livello del singolo fotone. Misurando la funzione Q cronociclica e utilizzando la ricostruzione statistica, il team ha dimostrato che è possibile recuperare sia lo spettro che la fase spettrale di un impulso luminoso senza alcuna conoscenza preventiva della sua struttura. Questo traguardo rimuove una barriera importante nello sviluppo delle tecnologie quantistiche, fornendo un modo affidabile per verificare che la luce utilizzata nei dispositivi quantistici sia esattamente ciò che si suppone sia. Il metodo si è dimostrato resiliente al rumore ed è stato capace di risolvere dettagli fini, offrendo un nuovo standard per il modo in cui gli scienziati osservano e comprendono i blocchi fondamentali della luce.