Sub-cycle metrology of bright quantum light

No mundo da luz, frequentemente pensamos nos fótons como pequenos pacotes discretos de energia, como grãos de areia. Quando esses grãos são aprisionados dentro de uma caixa, como uma cavidade de laser, eles se comportam de uma maneira muito ordenada, criando um ritmo previsível que se repete repetidamente. Durante décadas, cientistas estudaram essa luz medindo o comportamento médio desses grãos ao longo de muitos ciclos de sua onda. Essa abordagem funciona bem para muitas coisas, mas esconde um detalhe crucial: o que acontece no breve instante entre um ciclo e o próximo. Nas velocidades incrivelmente rápidas onde a luz interage com a matéria, especialmente quando a luz é intensa, a história muda. O campo elétrico da luz não apenas se torna uma média; ele flutua de forma selvagem e aleatória dentro de um único ciclo. Compreender esses momentos fugazes é essencial para desbloquear como a luz pode controlar elétrons em materiais ou gerar novas formas de luz, mas até agora, esses eventos subcíclicos eram invisíveis para nossos instrumentos.

Uma equipe de pesquisadores capturou agora esses momentos ocultos, revelando que a luz quântica brilhante não flui como um rio suave, mas sim irrompe em uma série de surtos caóticos e localizados no tempo. Usando uma técnica adaptada do campo da ciência de attossegundos, eles mediram o campo elétrico de um tipo especial de luz chamado vácuo comprimido brilhante (bright squeezed vacuum). Esta luz é gerada pela divisão de um pulso de laser dentro de um cristal, criando um estado onde o número de fótons flutua violentamente. Os pesquisadores descobriram que, dentro de cada pulso desta luz, a energia não chega como uma onda única e contínua. Em vez disso, ela aparece como uma coleção de surtos independentes, cada um durando apenas alguns femtossegundos. Um femtossegundo é um quadrilionésimo de segundo, uma escala de tempo tão breve que a luz percorre apenas alguns micrômetros durante sua duração. Esses surtos são estocásticos, o que significa que ocorrem aleatoriamente, e suas fases — o tempo de seus picos e vales — alternam imprevisivelmente entre dois valores.

Para ver isso, a equipe sobrepôs o vácuo comprimido brilhante a um pulso de referência coerente em um sensor de câmera de silício padrão. Como o silício é transparente à cor específica da luz utilizada, os pesquisadores confiaram em um efeito não linear onde os dois feixes interagem para gerar brevemente portadores elétricos no sensor. Essa interação ocorreu apenas dentro de uma janela de tempo minúscula, agindo efetivamente como um obturador de alta velocidade que congelou o movimento da onda de luz. Ao inclinar levemente os feixes para que cruzassem em um pequeno ângulo, eles mapearam a evolução temporal da luz nas dimensões espaciais do sensor da câmera. Cada instantâneo único tirado pela câmera revelou a forma de onda completa do campo elétrico daquele disparo específico de laser. Este método permitiu reconstruir a forma do campo de luz com precisão subcíclica, vendo os surtos individuais que compõem o pulso.

A análise de milhares desses instantâneos mostrou que a luz é composta por surtos que são amplamente independentes entre si. Em cerca de metade dos disparos de laser, os pesquisadores observaram um único surto dominante. Na outra metade, viram dois ou mais surtos ocorrendo em sucessão rápida. O tempo desses surtos não era fixo; eles apareciam em intervalos aleatórios dentro do envelope do pulso. Crucialmente, os pesquisadores descobriram que a fase de cada surto, que determina a orientação de seu campo elétrico, alternava aleatoriamente entre dois estados separados por um ângulo específico. Essa distribuição bimodal é uma assinatura da natureza quântica do vácuo comprimido. Isso significa que, para qualquer dado surto, o campo elétrico aponta em uma de duas direções opostas, e qual direção ele aponta é fundamentalmente aleatório.

Esta descoberta tem implicações imediatas para a geração de aleatoriedade. Como a fase de cada surto é um evento quântico verdadeiro, ela não pode ser prevista por qualquer meio clássico. Os pesquisadores usaram essa propriedade para criar um fluxo de bits aleatórios. Ao atribuir um valor binário à fase de cada surto, eles geraram uma sequência de zeros e uns que passou por rigorosos testes estatísticos de aleatoriedade. Embora sua configuração atual tenha produzido bits a uma taxa limitada pela repetição do laser, o método em si abre as portas para gerar números aleatórios em frequências de petahertz. Um petahertz é um quadrilhão de ciclos por segundo, uma velocidade muito além do que os computadores eletrônicos atuais podem processar. Se a tecnologia puder ser escalada para resolver mais surtos dentro de um único pulso, a taxa de geração de números aleatórios poderia atingir essas velocidades sem precedentes, potencialmente revolucionando as comunicações seguras e a computação de alta velocidade.

Além da aleatoriedade, a capacidade de ver o campo de luz com este detalhe permitiu aos cientistas medir como a luz se correlaciona consigo mesma ao longo do tempo. Eles calcularam como a intensidade e a fase da luz em um momento se relacionam com a luz em um momento ligeiramente posterior. Descobriram que, perto do centro do pulso, onde a luz é mais forte, o comportamento se assemelha ao de um único modo isolado de luz. No entanto, conforme olhavam para as bordas do pulso, o comportamento mudava. Os valores de correlação caíram, indicando que múltiplos surtos independentes estavam se sobrepondo e interferindo uns nos outros. Esta observação confirmou que a luz não é uma entidade única e contínua, mas uma coleção de modos distintos e limitados no tempo. Os dados coincidiram com um modelo teórico baseado em modos limitados no tempo, sugerindo que este arcabouço é a forma correta de descrever como a luz se comporta nesses regimes de alta intensidade e tempo ultrarrápido.

O trabalho une dois campos anteriormente separados: a metrologia de attossegundos, que lida com as medições mais rápidas de luz, e a óptica quântica, que estuda as propriedades estatísticas dos fótons. Ao trazer a óptica quântica para o domínio do tempo subcíclico, os pesquisadores mostraram que o comportamento quântico da luz não é apenas uma média estatística ao longo do tempo, mas um processo dinâmico que evolui em tempo real. A natureza estocástica desses surtos, com suas fases aleatórias e flutuações independentes, fornece uma janela direta para o vácuo quântico. Esta pesquisa demonstra que, com as ferramentas certas, podemos medir o estado quântico da luz enquanto ele evolui, transformando a aleatoriedade inerente do mundo quântico em um recurso mensurável e de alta largura de banda. As descobertas sugerem que o futuro do processamento de informação quântica pode residir no aproveitamento dessas flutuações na escala de femtossegundos, transformando os surtos caóticos da luz quântica em um poderoso motor para aleatoriedade certificada e eletrônica ultrarrápida.