Attosecond delay metrology beyond the photon coherence time with spectrally resolved Hong-Ou-Mandel interferometry

Immagina di dover misurare la distanza tra due amici che si trovano in un campo nebbioso. Se usi una torcia standard, puoi solo capire se sono vicini se le loro ombre si sovrappongono perfettamente; una volta che si allontanano troppo, la nebbia inghiotte il segnale e perdi traccia di loro. Questo è il modo in cui funzionano gli strumenti tradizionali per la misurazione della luce: si basano sulla "coerenza" della luce, un modo elegante per dire quanto a lungo le onde luminose rimangano in fase tra loro. Se la differenza di percorso è maggiore di questo passo, la misurazione fallisce. Ma cosa succederebbe se potessi usare una speciale torcia che non si limita a proiettare un fascio, ma invia una coppia di gemelli perfettamente sincronizzati? Nel mondo della fisica quantistica, questi fotoni "gemelli" sono intrecciati, il che significa che i loro destini sono legati indipendentemente da quanto siano lontani. Gli scienziati usano da tempo questi gemelli per misurare distanze minuscole con un'incredibile precisione, ma si sono scontrati con un muro: potevano misurare solo distanze inferiori al "tempo di coerenza" dei gemelli, che è come una finestra temporale molto breve prima che i gemelli perdano la loro connessione. Questa limitazione ha mantenuto la super-precisione quantistica chiusa in laboratorio, incapace di misurare oggetti più spessi o distanze più lunghe senza continui e laboriosi aggiustamenti.

Un gruppo di ricercatori ha trovato un modo intelligente per abbattere questo muro di nebbia. Non si sono limitati a guardare quando arrivavano i gemelli; hanno analizzato i colori dei gemelli mentre arrivavano. Analizzando le specifiche "frange" spettrali (pensa a queste come a strisce colorate o increspature) create quando questi fotoni gemelli interferiscono, il team ha scoperto di poter misurare ritardi molto oltre il limite tradizionale. È come rendersi conto che, anche se i gemelli camminano a chilometri di distanza, il pattern delle loro impronte conserva ancora un codice segreto che dice esattamente quanto hanno camminato, purché si sappia leggere il ritmo dei loro passi. Questa scoperta significa che ora possiamo usare la luce quantistica per misurare le cose con una precisione di attosecondi (quello sì, un miliardesimo di un miliardesimo di secondo) su distanze centinaia di volte superiori rispetto a prima, senza dover ricalibrare costantemente la macchina.

Il righello quantistico che non ha mai bisogno di calibrazione

In questo articolo, i ricercatori dimostrano un nuovo modo per misurare ritardi temporali e distanze utilizzando una tecnica chiamata interferometria di Hong–Ou–Mandel (HOM) risolta spettralmente. Per capire cosa hanno fatto, guardiamo prima il metodo vecchio. Tradizionalmente, gli scienziati usano l'interferometria HOM per misurare quanto tempo impiega la luce a percorrere una certa distanza. Inviano due fotoni identici in un divisore di fascio (uno specchio che divide la luce). Se i fotoni arrivano esattamente nello stesso momento, si "raggruppano" (bunching) ed escono dallo stesso lato, creando un calo nel numero di volte in cui vengono rilevati separatamente. Questo calo è il "righello" che usano. Tuttavia, questo righello è molto corto; funziona solo se la differenza di percorso rientra nel "tempo di coerenza" del fotone (la larghezza di quel calo). Se l'oggetto è troppo spesso o il ritardo è troppo lungo, il calo scompare e la misurazione fallisce.

Gli autori di questo articolo sostengono che non abbiamo bisogno di fare affidamento sulla profondità di quel calo. Inveve, dimostrano che se si osservano i colori (frequenze) dei fotoni, si vede un pattern diverso: una serie di frange di interferenza che sembrano un codice a barre. Queste frange persistono anche quando la differenza di percorso è enorme, ben oltre il limite tradizionale. La scoperta chiave è che la frequenza (quanto velocemente si ripetono le strisce) di queste frange spettrali è direttamente legata al ritardo temporale. Misurando quanto queste strisce colorate siano "strette" o "larghe", i ricercatori possono calcolare il ritardo con estrema precisione, indipendentemente da quanto i fotoni abbiano viaggiato.

I risultati: Vedere l'invisibile

Il team ha costruito un setup personalizzato utilizzando una speciale telecamera in grado di etichettare l'istante esatto e il colore dei singoli fotoni. Hanno generato coppie di fotoni intrecciati e ne hanno inviato uno attraverso un percorso che poteva essere regolato per creare un ritardo. Ecco cosa hanno scoperto:

• Rompere il limite: Sono riusciti a misurare ritardi di percorso che vanno da -300 µm a 300 µm, e persino fino a 1 mm. Questo è un intervallo enorme, che supera la larghezza del tradizionale "calo HOM" (che era di soli 5,7 µm) di oltre due ordini di grandezza (più di 100 volte superiore).
• Precisione senza pari: Quando hanno raccolto i dati da un milione di coppie di fotoni rilevate, hanno ottenuto una precisione del ritardo temporale di 20 attosecondi, che corrisponde a una precisione di distanza di 6 nanometri. Anche in operazione "in tempo reale" (elaborando i dati man mano che arrivano a 1 Hz), hanno mantenuto una precisione di 330 attosecondi (o 100 nanometri).
• Niente più ricalibrazione: Una delle parti più entusiasmanti è che questo metodo è "robusto". Nei vecchi metodi, se si perdevano alcuni fotoni (a causa di una lente sporca o di un campione spesso) o se l'interferenza non era perfetta, era necessario fermarsi e ricalibrare la macchina. Poiché questo nuovo metodo si basa sulla periodicità (il ritmo) delle frange piuttosto che sul numero assoluto di fotoni, funziona perfettamente anche se il segnale è debole o la visibilità diminuisce. Lo hanno dimostrato misurando lo spessore di un cristallo di 300 µm e persino introducendo perdite di fotoni tramite filtri; la misurazione rimaneva accurata senza alcuna ricalibrazione.

Perché questo è importante

Gli autori escludono esplicitamente l'idea che sia necessario scansionare l'interferometro o calibrare il "calo" per ottenere questi risultati. Dimostrano che l'informazione sul ritardo è codificata nelle frange spettrali, che rimangono stabili e leggibili su un intervallo vastissimo. Questo è un passo avanti significativo perché sposta la metrologia quantistica da un delicato esperimento di laboratorio a uno strumento pratico.

Per dimostrare che funziona nel mondo reale, hanno utilizzato il loro setup per misurare lo spessore di un bersaglio trasmissivo di 300 µm (un cristallo BBO) con precisione nanometrica in un singolo scatto. Hanno scoperto che il cristallo era spesso 309.716 ± 30 nm. Ciò dimostra che la tecnica può gestire oggetti del mondo reale senza richiedere le condizioni perfette e sterili solitamente necessarie per le misurazioni quantistiche.

Sebbene l'attuale sistema sia limitato dalla velocità della loro telecamera e dall'efficienza dei loro rilevatori (che catturano solo circa l'8% dei fotoni), gli autori suggeriscono che futuri aggiornamenti con migliori rilevatori potrebbero rendere tutto questo ancora più veloce e preciso. Immaginano che questa tecnologia possa essere utilizzata per scopi quali la misurazione dello spessore dei materiali, la tomografia a coerenza ottica quantistica (una versione high-tech dell'imaging medico) e il rilevamento di spostamenti a lungo raggio in ambienti dove la perdita di luce è inevitabile.

In breve, questo articolo mostra che ascoltando la "canzone dei colori" dei fotoni intrecciati invece di limitarsi a contarli, possiamo misurare il mondo con precisione quantistica su distanze che prima erano ritenute impossibili, il tutto senza la necessità di continui aggiustamenti e ricalibrazioni.