Sub-cycle metrology of bright quantum light

光の世界において、私たちはしばしば光子を、砂粒のような小さく離散的なエネルギーの塊として考えます。これらの粒がレーザー共振器のような箱の中に閉じ込められると、それらは非常に秩序ある振る舞いを見せ、何度も繰り返される予測可能なリズムを生み出します。数十年にわたり、科学者たちは波の多くの周期にわたるこれらの粒の平均的な振る舞いを測定することで、この光を研究してきました。このアプローチは多くの事象において有効ですが、ある決定的な詳細を隠してしまいます。それは、一つの周期と次の周期の間の、極めて短い瞬間に何が起きているかという点です。光が物質と相互作用する、特に光が強烈な場合のような、信じられないほど高速な領域では、物語は変わります。光の電場は単に平均化されるのではなく、単一の周期内で激しく、無秩序に変動するのです。これらの刹那的な瞬間を理解することは、光がいかにして材料内の電子を制御するか、あるいは新しい形態の光を生成するかを解き明かすために不可なる不可欠な要素ですが、これまでは、これらのサブサイクル（周期内）のイベントは、私たちの計測機器には見えないものでした。

研究チームは今、これらの隠された瞬間を捉え、明るい量子光が滑らかな川のように流れるのではなく、一連の混沌とした、時間に局在化したバースト（噴出）として噴出していることを明らかにしました。彼らはアト秒科学の分野から適応させた手法を用い、「明るいスクイーズド真空」と呼ばれる特殊な光の電場を測定しました。この光は、結晶の中でレーザーパルスを分割することによって生成され、光子の数が激しく変動する状態を作り出します。研究者たちは、この光の各パルス内において、エネルギーが単一の連続的な波として到着するのではなく、それぞれが数フェムト秒間だけ持続する独立したバラストの集合体として現れることを見出しました。フェムト秒とは1000兆分の1秒のことであり、その時間内に光はわずか数マイクロメートルしか進むことができません。これらのバーストはストキャスティック（確率論的）であり、つまりランダムに発生し、その位相（ピークと谷のタイミング）は2つの値の間で予測不能に反転します。

これを見るために、チームは明るいスクイーズド真空をコヒーレントな参照パルスと重ね合わせ、標準的なシリコンカメラセンサー上に投影しました。シリコンはこの特定の色の光に対して透明であるため、研究者たちは、2つのビームが相互作用してセンサー内に一時的に電気キャリアを生成するという非線形効果を利用しました。この相互作用は極めて短い時間枠内で行われ、実質的に、光の波の動きを凍結させる高速シャッターとして機能しました。ビームをわずかに傾けて小さな角度で交差させることで、彼らは光の時間進化をカメラセンサーの空間次元へとマッピングしました。カメラによって撮影された各単一のスナップショットは、その特定のレーザーショットの電場波形全体を明らかにしました。この手法により、彼らはサブサイクル精度で光の電場の形状を再構成し、パルスを構成する個々のバーストを観察することができました。

数千のスナップショットの分析により、この光は互いに大部分は独立したバーストで構成されていることが示されました。レーザーショットの約半分において、研究者たちは単一の支配的なバーストを観察しました。残りの半分では、2つ以上のバーストが急速に連続して発生しているのが見られました。これらのバ測のタイミングは固定されておらず、パルスエンベロープ内のランダムな間隔で出現しました。決定的なことに、研究者たちは、各バーストの位相（それが電場の向きを決定するもの）が、特定の角度で離れた2つの状態の間をランダムに切り替わることを発見しました。この二峰性の分布は、スクイーズド真空の量子的な性質のシグネチャーです。これは、任意のバーストに対して、電場がある2つの反対方向のいずれかを指しており、どちらの方向を指すかは根本的にランダムであることを意味しています。

この発見は、ランダムネス（無作為性）を生成することに即座に影響を与えます。各バーストの位相は真の量子イベントであるため、いかなる古典的な手段によっても予測することはできません。研究者たちはこの特性を利用して、ランダムなビットのストリームを作成しました。各バーストの位相にバイナリ値を割り当てることで、彼らは厳格な統計テストに合格する、ゼロと一のシーケンスを生成しました。彼らの現在のセットアップは、レーザーの繰り返し周期によって制限された速度でビットを生成しましたが、この手法自体は、ペタヘルツ周波数でのランダム数生成への扉を開いています。ペタヘルツとは1秒間に1000兆回周期のことであり、現在の電子コンピュータが処理できる速度を遥かに超えています。もし技術が、単一のパルス内により多くのバーストを解像できるようにスケールアップできれば、ランダム数生成の速度はこれらの前例のない速度に達する可能性があり、安全な通信や高速コンピューティングに革命をもたらす可能性があります。

ランダムネスを超えて、光の電場をこれほど詳細に見る能力により、科学者たちは光が時間とともに自身とどのように相関するかを測定することができました。彼らは、ある瞬間における光の強度と位相が、わずかに後の時点における光とどのように関連しているかを計算しました。彼らは、パルスの中心付近、つまり光が最も強い場所では、挙動が単一の孤立した光モードに似ていることを見出しました。しかし、パルスの端の方を見ると、挙動が変化することを発見しました。相関値が低下しており、複数の独立したバーストが重なり合い、干渉し合っていることを示していました。この観察は、光が単一の連続的な実体ではなく、明確に時間限定されたモードの集合体であることを裏付けました。データは、時間限定モードに基づく理論モデルと一致しており、このフレームワークが、これらの超高速・高強度領域における光の振る舞いを記述するための正しい方法であることを示唆しています。

この研究は、アト秒計測（光の最も速い測定を扱う分野）と、量子光学（光子の統計的性質を研究する分野）という、以前は別々であった2つの分野を橋渡しするものです。量子光学をサブサイクルの時間領域へと持ち込むことで、研究者たちは、光の量子的な振る舞いが単なる時間の統計的な平均ではなく、リアルタイムで進化する動的なプロセスであることを示しました。これらのバーストのストキャスティックな性質、すなわちランダムな位相と独立した変動は、量子真空への直接的な窓を提供します。この研究は、適切なツールがあれば、量子状態がどのように進化するかを測定できること、つまり、量子世界の固有のランダムネスを測定可能な高帯域のリソースへと変えられることを証明しています。今回の知見は、量子情報処理の未来が、これらのフェムト秒スケールの変動を活用すること、すなわち、量子光の混沌としたバーストを、認証されたランダムネスと超高速エレクトロニクスのための強力なエンジンへと変えることにあることを示唆しています。