Tunable spectral correlations of highly multimode visible light via broadband quantum frequency conversion

Licht is meer dan alleen een straal die een kamer verlicht; het is een complexe drager van informatie, in staat om op vele verschillende manieren tegelijkertijd data vast te houden. Wetenschappers die werken met kwantumfysica proberen al lang deze verborgen lagen te benutten om computers te bouwen die problemen kunnen oplossen die onmogelijk zijn voor de machines van vandaag, of sensoren die de zwakste fluisteringen van het universum kunnen detecteren. Om dit te doen, gebruiken ze vaak een speciaal soort licht dat "geperst licht" (squeezed light) wordt genoemd. Stel je een ballon voor die zo is samengedrukt dat hij in de ene richting heel dun is geworden en in de andere richting heel lang; in de kwantumwereld vermindert deze persing de onzekerheid van een specifieke eigenschap van het licht, waardoor het een krachtig instrument voor precisie wordt. Jarenlang hebben onderzoekers dit gepaste licht kunnen creëren met infrarode golflengten, die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog en goed reizen door de glazen vezels die in de telecommunicatie worden gebruikt. Er heeft echter een grote flessenhals bestaan: de beste camera's voor het tellen van individuele deeltjes licht, of fotonen, werken het best met zichtbaar licht, het soort dat we met onze ogen zien. Infrarood licht is moeilijk te detecteren met deze gevoelige camera's zonder dure, supergekoelde apparatuur.

Een team van onderzoekers aan Cornell University en NTT Research heeft nu deze kloof overbrugd door een manier te demonstreren om hoogcomplexe infrarode licht te transformeren naar zichtbaar licht zonder de delicate kwantumeigenschappen te verliezen. Ze bereikten dit door een proces te gebruiken dat adiabatische frequentieconversie wordt genoemd. Denk hierbij aan een geavanceerde vertaler die de "taal" van het licht verandert van infrarood naar zichtbaar, maar dit zo vloeiend en efficiënt doet dat de ingewikkelde patronen en correlaties binnen het licht perfect intact blijven. De onderzoekers genereerden een staat van licht die honderden verschillende frequentiekanalen tegelijkertijd bevat, een prestatie die op deze schaal nog niet eerder was bereikt. Door dit licht om te zetten naar zichtbare golflengten, waren ze in staat het te meten met een standaard camera bij kamertemperatuur, uitgerust met miljoenen kleine sensoren, in plaats van te vertrouwen op een handvol gespecialiseerde, cryogeen gekoelde detectoren. Deze doorbraak suggereert een nieuwe weg voor het bouwen van grootschalige kwantumsystemen die praktischer en gemakkelijker op te schalen zijn.

Het experiment begon met de creatie van het gepaste licht zelf. Het team gebruikte een apparaat dat bekend staat als een optische parametrische versterker, die een puls laserlicht neemt en deze splitst in paren fotonen. Vanwege de manier waarop dit proces werkt, is het resulterende licht niet zomaar een eenvoudige straal, maar een hooggestructureerde staat die meer dan 400 verschillende frequentiemodi bevat. Deze modi zijn als individuele rijstroken op een snelweg, waarbij elke strook zijn eigen stroom informatie draagt, terwijl ze allemaal samen reizen. De onderzoekers bevestigden dat dit licht inderdaad in een gepaste staat verkeerde, wat betekent dat de ruis in het systeem lager is dan wat mogelijk is met gewoon licht. Ze maten het spectrum van het licht en vonden dat het een enorme reeks frequenties besloeg, die meer dan 45 terahertz dekte. Dit is een bandbreedte die zo breed is dat het de gehele frequentiebereiken van alle radio- en televisie stations op aarde gecombineerd overtreft.

Zodra dit complexe infrarode licht was gegenereerd, werd het team geconfronteerd met de uitdaging om het naar zichtbaar licht om te zetten. Eerdere pogingen om de kleur van kwantumlucht te veranderen, resulteerden vaak in een aanzienlijk verlies van het signaal of een degradatie van de kwantumeigenschappen. De onderzoekers overwonnen dit door adiabatische frequentieconversie te gebruiken, een techniek die berust op een geleidelijke verandering in de condities van het licht terwijl het door een speciale kristal passeert. Ze mengden het infrarode licht met een tweede, sterkere puls laserlicht. Door het profiel van deze tweede puls zorgvuldig vorm te geven, begeleidden ze de infrarode fotonen om te transformeren naar zichtbare fotonen op een golflengte van 620 nanometer, wat verschijnt als een helderrood kleur. Het proces was opmerkelijk efficiënt en zette bijna al het licht uit het infrarode bereik om naar het zichtbare bereik zonder de kwantuminformatie te verstoren.

De echte test van hun succes kwam toen ze het geconverteerde licht maten. Ze richtten de zichtbare straal op een electron-multiplying charge-coupled device camera, een type sensor dat in staat is om enkelvoudige fotonen met hoge precisie te detecteren. Omdat het licht nu zichtbaar was, kon de camera het hele spectrum in één keer vastleggen, waarbij het fungeerde als een array van miljoenen detectoren die parallel werken. De onderzoekers observeerden dat het licht dat de camera raakte, gemiddeld bijna 700 fotonen per puls bevatte, verdeeld over honderden frequentiemodi. Belangrijker nog, de statistische patronen van deze fotonen kwamen overeen met de voorspellingen voor gepast licht. De correlaties tussen de verschillende frequentiemodi bleven sterk, wat bewees dat het conversieproces de kwantumnatuur van het licht had behouden. Dit was een cruciale bevinding, aangezien het aantoonde dat de delicate kwantumstaat de reis van het infrarode naar het zichtbare spectrum kon overleven.

Naast het simpelweg converteren van het licht, lieten het team zien dat ze de relaties tussen de verschillende frequentiemodi tijdens het conversieproces konden manipuleren. Door de vorm van de laserpuls die de conversie aanstuurt te wijzigen, konden ze veranderen hoe de verschillende delen van het licht met elkaar interageerden. Dit is vergelijkbaar met het hebben van een programmeerbare beam splitter die honderden kanalen van licht in realtime kan mengen en combineren. Het vermogen om deze correlaties te controleren is essentieel voor geavanceerde kwantumcomputer-taken, waarbij de arrangement van verstrengelde deeltjes de uitkomst van een berekening bepaalt. De onderzoekers demonstreerden dat ze verschillende patronen van verstrengeling konden creëren door simpelweg de pulsvorm aan te passen, waardoor de kwantumstaat effectief werd geprogrammeerd terwijl deze werd geconverteerd.

De implicaties van dit werk strekken zich uit tot de toekomst van de kwantumtechnologie. Door aan te tonen dat hoog-multimodale gepaste licht kan worden gegenereerd, gemanipuleerd en gemeten met hoge efficiëntie met behulp van zichtbare lichtdetectoren, hebben de onderzoekers een belangrijke barrière voor het opschalen van kwantumsystemen weggenomen. Het gebruik van standaard cameratechnologie, die compact, relatief goedkoop is en op kamertemperatuur werkt, biedt een praktisch alternatief voor de complexe, cryogene opstellingen die momenteel vereist zijn voor infrarooddetectie. Het team schat dat hun methode systemen met duizenden modi kan ondersteunen, wat de capaciteiten van eerdere experimenten ver overstijgt. Hoewel de huidige opstelling beperkingen heeft in termen van hoe snel het licht kan worden verwerkt en de exacte mate van controle over elke individuele modus, is de proof of concept solide. De onderzoekers hebben aangetoond dat het frequentiedomein een levensvatbaar en krachtig platform is voor kwantuminformatie, wat de deur opent naar nieuwe experimenten in kwantummeting en -computing die voorheen buiten bereik lagen.

Deze prestatie vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de praktische toepassing van kwantumoptica. Het brengt het veld dichter bij het doel om grootschalige kwantumcomputers en sensoren te bouwen die buiten gespecialiseerde laboratoriumomgevingen kunnen werken. Het vermogen om honderden modi van gepast licht tegelijkertijd te genereren, te manipuleren en te meten met hoge efficiëntie en programmeerbaarheid, biedt een robuuste fundering voor toekomstige ontwikkelingen. Terwijl de onderzoekers hun technieken blijven verfijnen, met name door het verbeteren van de snelheid van detectie en de precisie van de puls-shaping, groeit het potentieel van deze systemen om complexe realtime problemen op te lossen. Het werk staat als een testament voor de kracht van het combineren van verschillende gebieden van de fysica om technische hindernissen te overwinnen, waarbij een theoretische mogelijkheid wordt omgezet in een tastbare realiteit.