Attosecond Control of Squeezed Light
Questo articolo dimostra il controllo su scala attosecondica della generazione di luce compressa (squeezed light) in un dielettrico modulando la sua risposta non lineare del terzo ordine con campi ultrafast intensi, consentendo la commutazione sub-ciclo tra stati di compressione di ampiezza e di fase e la misurazione simultanea delle correlazioni di quadratura attraverso molteplici modi di frequenza.
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La luce è molto più di un semplice raggio che ci permette di vedere; è un flusso di particelle chiamate fotoni che trasporta informazioni nella sua stessa forma. Nel mondo quantistico, le misurazioni più precise che possiamo effettuare sono limitate da una fondamentale approssimazione intrinseca alla luce stessa, nota come rumore di sparo. Questo rumore è come un costante, minuscolo fruscio che rende impossibile misurare la posizione o la temporizzazione di un'onda luminosa con perfetta accuratezza. Gli scienziati hanno da tempo trovato un modo per silenziare questo fruscio creando un tipo speciale di luce chiamata luce "squeezed" (schiacciata). In questo stato, l'incertezza non viene rimossa ma spostata: il rumore in una proprietà della luce viene ridotto al di sotto del limite naturale, mentre il rumore in una proprietà diversa aumenta per compensare. Questa tecnica ha già permesso a strumenti come il rilevatore di onde gravitazionali LIGO di ascoltare le deboli increspature di collisioni tra buchi neri, ed è essenziale per il futuro dell'informatica quantistica.
Per decenni, tuttavia, creare questa luce speciale è stato un processo lento e costante, che tipicamente utilizza fasci continui di luce laser che scorrono come un fiume costante. La sfida è stata quella di controllare questa luce sulle scale temporali incredibilmente veloci in cui avvengono realmente gli eventi quantistici, misurate in femtosecondi e attosecondi. Un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo, e un attosecondo è ancora più breve, un miliardesimo di un miliardo di un secondo. Fino ad ora, generare e modellare la luce squeezed a queste velocità è stato difficile, lasciando un divario tra la velocità dei processi quantistici e gli strumenti che usiamo per controllarli. I ricercatori della Purdue University hanno ora colmato questo divario, dimostrando un modo per generare e controllare la luce squeezed su scale temporali di attosecondi, trasformando efficacemente il rumore quantistico della luce in una manopola che può essere regolata più velocemente che mai prima d'ora.
Il team ha ottenuto questo risultato sparando tre impulsi estremamente brevi di luce laser in un cristallo di ossido di magnesio. Questi impulsi sono così intensi che non si limitano a passare attraverso il materiale; essi cambiano brevemente e drammaticamente la struttura interna del materiale. Mentre il campo elettrico degli impulsi laser interagisce con gli elettroni nel cristallo, esso modula il modo in cui il materiale risponde alla luce, un processo che avviene su una scala temporale di attosecondi. Regolando attentamente la temporizzazione tra gli impulsi laser di appena frazioni di un femtosecondo, i ricercatori sono riusciti a commutare il tipo di riduzione del rumore nella luce generata. Hanno scoperto che spostando la temporizzazione di soli pochi centinaia di attosecondi, potevano invertire la luce da avere un rumore ridotto nella sua luminosità (ampiezza) ad avere un rumore ridotto nella sua temporizzazione (fase). Questa commutazione avviene così rapidamente che avviene entro un singolo ciclo dell'onda luminosa stessa.
Per osservare questo effetto, gli scienziati hanno costruito un sofisticato sistema di misurazione che agisce come una fotocamera ad alta velocità per le onde luminose. Hanno combinato la luce squeezed con un fascio di riferimento e hanno utilizzato una speciale fotocamera per catturare le proprietà della luce attraverso molti diversi colori simultaneamente. Ciò ha permesso di ricostruire un'immagine completa dello stato quantistico, mostrando esattamente come il rumore fosse distribuito. Le misurazioni hanno confermato che la luce era effettivamente "squeezed", con livelli di rumore che scendevano al di sotto del limite fondamentale stabilito dal laser stesso. I ricercatori hanno calcolato che lo squeezing raggiungeva un livello di circa 1,6 decibel al di sotto del pavimento di rumore standard. Sebbene questo numero possa sembrare piccolo rispetto ai livelli record raggiunti in esperimenti continui più lenti, la significatività risiede nella velocità e nel controllo. Il team ha dimostrato che le proprietà quantistiche della luce possono essere manipolate sulla scala temporale dell'oscillazione della stessa onda luminosa, un traguardo che era precedentemente irraggiungibile.
Lo studio ha anche rivelato che la luce generata in questo modo è altamente organizzata. Nonostante l'impulso laser contenga uno spettro ampio di colori, le correlazioni quantistiche tra questi diversi colori sono strettamente sincronizzate. I ricercatori hanno mappato come il rumore in un colore di luce si relazzi al rumore in un altro colore, scoprendo che si muovono insieme in perfetto unisono. Ciò suggerisce che l'intero impulso di luce si comporti come un singolo oggetto quantistico coerente, nonostante sia generato attraverso un'interazione ultrafast complessa. Inoltre, il team ha osservato che la luce era quasi perfettamente gaussiana, il che significa che il suo comportamento statistico seguiva una curva a campana standard, con solo una piccola frazione di comportamento non standard. Questa piccola deviazione, pari a circa il dieci per cento, accenna alla complessa fisica non lineare che avviene quando il campo laser è abbastanza forte da rimodellare il panorama elettronico del materiale in tempo reale.
Questo lavoro apre una nuova strada per il controllo della luce quantistica. Utilizzando i campi forti di laser ultrafast per modulare la risposta del materiale, i ricercatori hanno creato un metodo per sintonizzare lo stato quantistico della luce con precisione sub-ciclo. Questo livello di controllo potrebbe essere vitale per futuri esperimenti in cui la luce quantistica viene utilizzata per guidare altri processi ultrafast, come la generazione di impulsi di luce ancora più brevi o l'ionizzazione degli atomi. La capacità di passare tra diversi tipi di luce squeezed su una scala temporale di attosecondi fornisce un nuovo strumento ai ricercatori per esplorare il mondo quantistico alla sua velocità più fondamentale. I ricercatori hanno dimostrato che il rumore quantistico della luce non è una barriera fissa, ma una caratteristica dinamica che può essere modellata e controllata, offrendo uno sguardo verso un futuro in cui le tecnologie quantistiche operano proprio al limite del tempo.
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