Sub-cycle metrology of bright quantum light

Nel mondo della luce, spesso pensiamo ai fotoni come a piccoli pacchetti discreti di energia, simili a granelli di sabbia. Quando questi granelli sono intrappolati all'interno di una scatola, come una cavità laser, si comportano in modo molto ordinato, creando un ritmo prevedibile che si ripete continuamente. Per decenni, gli scienziati hanno studiato questa luce misurando il comportamento medio di questi granelli su molti cicli della loro onda. Questo approccio funziona bene per molte cose, ma nasconde un dettaglio cruciale: cosa accade nel brevissimo istante tra un ciclo e l'altro. Alle velocità incredibilmente elevate in cui la luce interagisce con la materia, specialmente quando la luce è intensa, la storia cambia. Il campo elettrico della luce non si limita a mediare; esso fluttua selvaggiamente e casualmente all'interno di un singolo ciclo. Comprendere questi momenti fugaci è essenziale per sbloccare il modo in cui la luce può controllare gli elettroni nei materiali o generare nuove forme di luce, ma finora questi eventi sub-ciclo sono stati invisibili ai nostri strumenti.

Un team di ricercatori ha ora catturato questi momenti nascosti, rivelando che la luce quantistica brillante non scorre come un fiume liscio, ma erutta in una serie di raffiche caotiche e localizzate nel tempo. Utilizzando una tecnica adattata dal campo della scienza degli attosecondi, hanno misurato il campo elettrico di un tipo speciale di luce chiamato vuoto compresso brillante (bright squeezed vacuum). Questa luce viene generata dividendo un impulso laser all'interno di un cristallo, creando uno stato in cui il numero di fotoni fluttua selvaggiamente. I ricercatori hanno scoperto che, all'interno di ogni impulso di questa luce, l'energia non arriva come un'onda singola e continua. Invece, appare come una collezione di raffiche indipendenti, ognuna delle quali dura solo pochi femtosecondi. Un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo, una scala temporale così breve che la luce percorre solo pochi micrometri durante la sua durata. Queste raffiche sono stocastiche, il che significa che avvengono casualmente, e le loro fasi — la temporizzazione dei loro picchi e delle loro valli — saltano imprevedibilmente tra due valori.

Per vedere questo, il team ha sovrapposto il vuoto compresso brillante a un impulso di riferimento coerente su un normale sensore di fotocamere al silicio. Poiché il silicio è trasparente al colore specifico della luce utilizzata, i ricercatori si sono affidati a un effetto non lineare in cui i due fasci interagiscono per generare brevemente portatori elettrici nel sensore. Questa interazione è avvenuta solo entro una minuscola finestra temporale, agendo efficacemente come un otturatore ad alta velocità che ha congelato il moto dell'onda luminosa. Inclinando leggermente i fasci in modo che si incrociassero con un piccolo angolo, hanno mappato l'evoluzione temporale della luce sulle dimensioni spaziali del sensore della fotocamera. Ogni singolo scatto catturato dalla fotocamera ha rivelato l'intera forma del campo elettrico di quello specifico scatto laser. Questo metodo ha permesso loro di ricostruire la forma del campo luminoso con precisione sub-ciclo, vedendo le singole raffiche che compongono l'impulso.

L'analisi di migliaia di questi scatti ha mostrato che la luce è composta da raffiche che sono ampiamente indipendenti l'una dall'altra. In circa la metà degli scatti laser, i ricercatori hanno osservato una singola raffica dominante. Nell'altra metà, hanno visto due o più raffiche che si susseguono rapidamente. La temporizzazione di queste raffiche non era fissa; apparivano a intervalli casuali all'interno dell'inviluppo dell'impulso. Fondamentalmente, i ricercatori hanno scoperto che la fase di ogni raffica, che determina l'orientamento del suo campo elettrico, cambiava casualmente tra due stati separati da un angolo specifico. Questa distribuzione bimodale è una firma della natura quantistica del vuoto compresso. Significa che, per ogni data raffica, il campo elettrico punta in una delle due direzioni opposte, e quale direzione punti è fondamentalmente casuale.

Questa scoperta ha implicazioni immediate per la generazione di casualità. Poiché la fase di ogni raffica è un vero evento quantistico, non può essere previsto da alcun mezzo classico. I ricercatori hanno utilizzato questa proprietà per creare un flusso di bit casuali. Assegnando un valore binario alla fase di ogni raffica, hanno generato una sequenza di zeri e uni che ha superato rigorosi test statistici di casualità. Sebbene la loro configurazione attuale producesse bit a una velocità limitata dalla ripetizione del laser, il metodo stesso apre la porta alla generazione di numeri casuali a frequenze di petahertz. Un petahertz è un quadrilione di cicli al secondo, una velocità molto superiore a quella che gli attuali computer elettronici possono elaborare. Se la tecnologia potrà essere scalata per risolvere più raffiche all'interno di un singolo impulso, il tasso di generazione di numeri casuali potrebbe raggiungere queste velocità senza precedenti, potenzialmente rivoluzionando le comunicazioni sicure e l'informatica ad alta velocità.

Oltre alla casualità, la capacità di vedere il campo luminoso con questo dettaglio ha permesso agli scienziati di misurare come la luce correla con se stessa nel tempo. Hanno calcolato come l'intensità e la fase della luce in un momento si relazionano con la luce in un momento leggermente successivo. Hanno scoperto che vicino al centro dell'impulso, dove la luce è più forte, il comportamento assomiglia a quello di un singolo modo isolato di luce. Tuttavia, guardando verso i bordi dell'impulso, il comportamento cambia. I valori di correlazione diminuiscono, indicando che molteplici raffiche indipendenti si stanno sovrapponendo e interferendo tra loro. Questa osservazione ha confermato che la luce non è un'entità singola e continua, ma una collezione di distinti modi confinati nel tempo. I dati corrispondevano a un modello teorico basato su modi limitati nel tempo, suggerendo che questo quadro è il modo corretto di descrivere come la luce si comporta in questi regimi ultrafast e ad alta intensità.

Il lavoro unisce due campi precedentemente separati: la metrologia degli attosecondi, che si occupa delle misurazioni più veloci della luce, e l'ottica quantistica, che studia le proprietà statistiche dei fotoni. Portando l'ottica quantistica nel dominio temporale sub-ciclo, i ricercatori hanno dimostrato che il comportamento quantistico della luce non è solo una media statistica nel tempo, ma un processo dinamico che evolve in tempo reale. La natura stocastica di queste raffiche, con le loro fasi casuali e le loro fluttuazioni indipendenti, fornisce una finestra diretta sul vuoto quantistico. Questa ricerca dimostra che, con gli strumenti giusti, possiamo misurare lo stato quantistico della luce mentre evolve, trasformando la casualità intrinseca del mondo quantistico in una risorsa misurabile ad alta larghezza di banda. Le scoperte suggeriscono che il futuro dell'elaborazione delle informazioni quantistiche potrebbe risiedere nell'approfittare di queste fluttuazioni su scala di femtosecondi, trasformando le raffiche caotiche della luce quantistica in un potente motore per la casualità certificata e l'elettronica ultrafast.