Sub-cycle metrology of bright quantum light

In de wereld van het licht denken we vaak aan fotonen als kleine, discrete pakketjes energie, zoals korrels zand. Wanneer deze korrels in een doos worden gevangen, zoals een laserholte, gedragen ze zich op een zeer ordelijke manier en creëren ze een voorspelbaar ritme dat zich steeds weer herhaalt. Decennialang hebben wetenschappers dit licht bestudeerd door het gemiddelde gedrag van deze korrels over vele cycli van hun golf te meten. Deze benadering werkt goed voor veel zaken, maar het verbergt een cruciaal detail: wat er gebeurt in het fractie van een seconde tussen de ene cyclus en de volgende. Op de ongelofelijk hoge snelheden waarbij licht met materie interageert, vooral wanneer het licht intens is, verandert het verhaal. Het elektrische veld van het licht middelt niet alleen uit; het fluctueert wild en willekeurig binnen een enkele cyclus. Het begrijpen van deze vluchtige momenten is essentieel voor het ontsluiten van hoe licht elektronen in materialen kan aansturen of nieuwe vormen van licht kan genereren, maar tot nu toe waren deze sub-cyclus gebeurtenissen onzichtbaar voor onze instrumenten.

Een team van onderzoekers heeft nu deze verborgen momenten vastgelegd en onthuld dat helder kwantumlicht niet stroomt als een rustige rivier, maar eerder uitbarst in een reeks chaotische, tijdsgelokaliseerde uitbarstingen. Met een techniek die is aangepast uit het veld van de attoseconde-wetenschap, hebben zij het elektrische veld van een speciaal type licht gemeten, genaamd helder 'squeezed vacuum' (samengeperst vacuüm). Dit licht wordt gegenereerd door een laserpuls in een kristal te splitsen, waardoor een toestand ontstaat waarin het aantal fotonen wild fluctueert. De onderzoekers ontdekten dat de energie binnen elke puls van dit licht niet aankomt als een enkele, continue golf. In plaats daarvan verschijnt het als een verzameling onafhankelijke uitbarstingen, die elk slechts enkele femtoseconden duren. Een femtoseconde is één quadrillionde van een seconde, een tijdschaal die zo kort is dat licht slechts enkele micrometers aflegt tijdens die duur. Deze uitbarstingen zijn stochastisch, wat betekent dat ze willekeurig voorkomen, en hun fasen — de timing van hun pieken en dalen — springen onvoorspelbaar tussen twee waarden.

Om dit te zien, brachten de onderzoekers het heldere 'squeezed vacuum' samen met een coherente referentiepuls op een standaard silicium camerasensor. Omdat silicium transparant is voor de specifieke kleur van het gebruikte licht, vertrouwden de onderzoekers op een niet-lineair effect waarbij de twee bundels met elkaar interageren om kortstondig elektrische ladingsdragers in de sensor te genereren. Deze interactie vond plaats binnen een zeer klein tijdsvenster, wat effectief fungeerde als een hogesnelheidssluitertje dat de beweging van de lichtgolf bevroor. Door de bundels lichtjes te kantelen zodat ze onder een kleine hoek kruisten, brachten de onderzoekers de tijdsontwikkeling van het licht in kaart op de ruimtelijke dimensies van de camerasensor. Elke enkele snapshot die de camera maakte, onthulde de volledige vorm van de elektrische veldgolf van die specifieke laserpuls. Deze methode stelde hen in staat om de vorm van het lichtveld met sub-cyclus precisie te reconstrueren, waarbij de individuele uitbarstingen die de puls vormen zichtbaar werden.

De analyse van duizenden van deze snapshots toonde aan dat het licht bestaat uit uitbarstingen die grotendeels onafhankelijk van elkaar zijn. In ongeveer de helft van de laserpulsen observeerden de onderzoekers een enkele dominante uitbarsting. In de andere helft zagen ze twee of meer uitbarstingen die in snelle opeenvolging plaatsvonden. De timing van deze uitbarstingen was niet vast; ze verschenen op willekeurige intervallen binnen de puls-envelop. Cruciaal was dat de onderzoekers ontdekten dat de fase van elke uitbarsting, die bepaalt hoe de oriëntatie van het elektrische veld is, willekeurig schakelde tussen twee toestanden die gescheiden zijn door een specifieke hoek. Deze bimodale verdeling is een handtekening van de kwantumnatuur van het 'squeezed vacuum'. Dit betekent dat het elektrische veld voor elke gegeven uitbarsting in een van de twee tegenovergestelde richtingen wijst, en welke richting het aanwijst, is fundamenteel willekeurig.

Deze ontdekking heeft directe implicaties voor het genereren van willekeur. Omdat de fase van elke uitbarsting een echte kwantumevenement is, kan deze niet door enige klassieke middelen worden voorspeld. De onderzoekers gebruikten deze eigenschap om een stroom van willekeurige bits te creëren. Door een binaire waarde toe te wijzen aan de fase van elke uitbarsting, genereerden zij een sequentie van enen en nullen die strenge statistische tests voor willekeur doorstonden. Hoewel hun huidige opstelling een snelheid produceerde die beperkt werd door de herhalingsfrequentie van de laser, opent de methode zelf de deur naar het genereren van willekeurige getallen op petahertz-frequenties. Een petahertz is een quadrilljoen cycli per seconde, een snelheid die ver boven de huidige elektronische computers ligt. Als de technologie kan worden opgeschaald om meer uitbarstingen binnen een enkele puls te kunnen resolveren, zou de snelheid van de generatie van willekeurige getallen deze ongekende snelheden kunnen bereiken, wat potentieel de beveiligde communicatie en ultrasnelle computing kan revolutioneren.

Buiten de willekeur om maakte het vermogen om het lichtveld met dit detail te zien de wetenschappers ook in staat om te meten hoe het licht met zichzelf correleert over de tijd. Ze berekenden hoe de intensiteit en fase van het licht op één moment gerelateerd zijn aan het licht op een iets later moment. Ze vonden dat nabij het centrum van de puls, waar het licht het sterkst is, het gedrag lijkt op dat van een enkele, geïsoleerde modus van licht. Echter, wanneer ze naar de randen van de puls keken, veranderde het gedrag. De correlatiewaarden daalden, wat aangeeft dat meerdere onafhankelijke uitbarstingen met elkaar overlappen en interfereren. Deze observatie bevestigde dat het licht geen enkele, continue entiteit is, maar een verzameling van onderscheidende, tijdsgebonden modi. De gegevens kwamen overeen met een theoretisch model gebaseerd op tijdgelimiteerde modi, wat suggereert dat dit kader de juiste manier is om te beschrijven hoe licht zich gedraagt in deze ultrasnelle, hoog-intensieve regimes.

Het werk overbrugt twee voorheen gescheiden velden: attoseconde-metrologie, die gaat over de snelste metingen van licht, en kwantumoptica, die de statistische eigenschappen van fotonen bestudeert. Door kwantumoptica naar het sub-cyclus tijdsdomein te brengen, hebben de onderzoekers aangetoond dat het kwantumgedrag van licht niet alleen een statistisch gemiddelde over de tijd is, maar een dynamisch proces dat in real-time evolueert. De stochastische aard van deze uitbarstingen, met hun willekeurige fasen en onafhankelijke fluctuaties, biedt een direct venster naar het kwantumbeluchtingsvacuüm. Dit onderzoek laat zien dat we met de juiste instrumenten de kwantumtoestand van licht kunnen meten terwijl deze evolueert, waarbij de inherente willekeur van de kwantumwereld transformeren in een meetbare, breedbandige bron. De bevindingen suggereren dat de toekomst van kwantuminformatieverwerking mogelijk ligt in het benutten van deze femtoseconde-schaal fluctuaties, waarbij de chaotische uitbarstingen van kwantumlicht worden omgezet in een krachtige motor voor gecertificeerde willekeur en ultrasnelle elektronica.