Attosecond Control of Squeezed Light
本文通过利用强超快场调制介质的三阶非线性响应，展示了对介质中挤压光产生的阿秒级控制，从而实现了振幅挤压态与相位挤压态之间的亚周期切换，以及对多个频率模式间正交关联的同时测量。
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光不仅仅是让我们看见的射线，它还是由被称为光子（photons）的粒子流组成的，这些粒子在其形状中承载着信息。在量子世界中，我们所能进行的最高精度测量受限于光本身固有的某种基本模糊性，这种现象被称为散粒噪声（shot noise）。这种噪声就像是一种持续的、微小的静电干扰，使得精确测量光波的位置或时序变得不可能。科学家们长期以来发现了一种通过制造一种被称为“挤压态光”（squeezed light）的特殊光来消除这种静电干扰的方法。在这种状态下，不确定性并非被消除，而是被转移了：光的一种属性中的噪声被降低到了自然极限之下，而另一种属性中的噪声则相应增加以进行补偿。这项技术已经让像 LIGO 引力波探测器这样的仪器能够捕捉到黑洞碰撞时发出的微弱涟漪，并且对于量子计算的未来至关重要。
然而，几十年来，制造这种特殊光的过程一直是一个缓慢且平稳的过程，通常使用像稳定河流一样持续不断的激光束。挑战在于如何在量子事件实际发生的极快时间尺度上控制这种光，这些尺度是以飞秒（femtoseconds）和阿秒（attoseconds）来衡量的。一个飞秒是一千万亿分之一秒，而一个阿秒甚至更短，是十亿亿分之一秒。直到现在，在这些速度下生成并塑造挤压态光一直非常困难，这导致了量子过程的速度与我们用来控制它们的工具之间存在着差距。普渡大学的研究人员现在填补了这一空白，他们展示了一种能够在阿秒时间尺度上生成并控制挤附态光的方法，有效地将光的量子噪声变成了一个可以比以往任何时候都更快进行调节的“旋钮”。
该团队通过将三束极短的激光脉冲射入由氧化镁制成的晶体来实现这一目标。这些脉冲如此强烈，以至于它们不仅仅是穿过材料，而是会在瞬间剧烈地改变材料的内部结构。当激光脉冲的电场与晶体中的电子发生相互作用时，它会调制材料对光反应的方式，这一过程发生在阿秒量级的时间尺度上。通过精确调整激光脉冲之间的间隔（仅为几分之一飞秒），研究人员可以切换生成的 light 中噪声减少的类型。他们发现，通过将时序偏移仅几百个阿秒，他们就可以将光从具有降低亮度（振幅）噪声的状态，切换到具有降低时序（相位）噪声的状态。这种切换发生得如此之快，以至于它发生在单个光波周期的内部。
为了观察这种效应，科学家们建造了一个复杂的测量系统，其作用类似于光波的高速摄像机。他们将挤压态光与参考光束结合，并使用一种特殊的相机同时捕获不同颜色的光属性。这使他们能够重建出完整的量子态图像，清晰地展示噪声是如何分布的。测量结果证实，这种光确实是经过“挤压”的，其噪声水平降到了低于激光本身设定的基本极限。研究人员计算出，挤压程度达到了比标准噪声底噪低约 1.6 分贝的水平。虽然这个数字与在较慢的连续实验中实现的创纪录水平相比看似微不足道，但其意义在于速度和控制力。团队证明了光的量子属性可以在光波自身的振荡时间尺度上进行操纵，这在以前是无法实现的。
这项研究还揭示了以此方式生成的光具有高度的组织性。尽管激光脉冲包含广泛的光谱颜色，但这些不同颜色之间的量子相关性是高度同步的。研究人员绘制了其中一种颜色的噪声如何与另一种颜色的噪声相关的图谱，发现它们以完美的步调同步运动。这表明整个光脉冲表现为一个单一的、相干的量子对象，尽管它是通过复杂的超快相互作用生成的。此外，团队观察到这种光几乎是完美的高斯分布，这意味着其统计行为遵循标准的钟形曲线，仅有极小比例的非标准行为。这大约百分之十的偏差暗示了当激光场强到足以实时重塑材料的电子景观时，其中发生的复杂非线性物理过程。
这项工作为控制量子光开辟了一条新路径。通过利用超快激光的强场来调制材料的响应，研究人员创造了一种能够以亚周期精度调节量子态光的方法。这种水平的控制对于未来那些利用量子光来驱动其他超快过程（例如产生更短的脉冲或电离原子）的实验至关重要。能够在阿秒时间尺度上切换不同类型的挤压态光的能力，为科学家提供了一个在最基本速度下探索量子世界的工具。研究人员证明，光的量子噪声不是一个固定的障碍，而是一个可以被塑造和控制的动态特征，这为未来在时间的边缘运行的量子技术提供了展望。
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