Sub-cycle metrology of bright quantum light

在光的世界里，我们通常将光子视为微小的、离散的能量包，就像沙粒一样。当这些沙粒被困在像激光谐振腔这样的盒子中时，它们的行为非常有序，创造出一种周而复始、可预测的节奏。几十年来，科学家们通过测量这些沙粒在多个波周期内的平均行为来研究这种光。这种方法对于许多事物都有效，但它隐藏了一个至关重要的细节：在相邻两个周期之间的那极其短暂的一瞬发生了什么。在光与物质相互作用的极快速度下，尤其是在光强很大的情况下，情况发生了变化。光的电场并不仅仅是平均化的；它在单个周期内会发生剧烈且随机的波动。理解这些转瞬即逝的时刻，对于解锁光如何控制材料中的电子或产生新形式的光至关重要，但直到现在，这些亚周期事件对我们的仪器来说仍然是不可见的。

一支研究团队现在捕捉到了这些隐藏的时刻，揭示了明亮量子光并不像平滑的河流那样流动，而是以一系列混沌的、时间局域化的爆发形式喷涌而出。他们利用一种改编自阿秒科学领域的技术，测量了一种被称为“明亮挤压真空”的特殊类型光的电场。这种光是通过在晶体内部分裂激光脉冲产生的，在这种状态下，光子的数量会发生剧烈波动。研究人员发现，在这种光的每个脉冲内部，能量并不是以单一、连续波的形式到达的。相反，它表现为一系列独立的爆发，每次爆发仅持续几个飞秒。一个飞秒是千万亿分之一秒，在这个时间尺度内，光只能行进几微米。这些爆发是随机性的（stochastic），这意味着它们随机发生，并且它们的相位——即峰值和谷值的时间点——会在两个值之间不可预测地翻转。

为了实现这一点，团队将明亮挤压真空与一个相干参考脉冲在标准硅相机传感器上进行重叠。由于硅对该特定颜色的光是透明的，研究人员依赖于一种非线性效应，即两束光相互作用，在传感器中短暂地产生电荷载流子。这种相互作用仅发生在极短的时间窗口内，实际上起到了高速快门的作用，冻结了光波的运动。通过将光束稍微倾斜，使它们以很小的角度交叉，研究人员将光的随时间演化的过程映射到了相机传感器的空间维度上。相机拍摄的每一张单帧快照都揭示了该特定激光脉冲的整个电场波形。这种方法使他们能够以亚周期的精度重建光场的形状，从而观察到构成脉冲的单个爆发。

对数千张此类快照的分析表明，这些光是由在很大程度上相互独立的爆发组成的。在大约一半的激光脉冲中，研究人员观察到了一个占主导地位的单一爆发。在另外一半的脉冲中，他们看到了两个或更多爆发在极短时间内接连发生。这些爆发的时机并非固定不变，它们在脉冲包络内随机出现。至关重要的是，研究人员发现每个爆发的相位（决定其电场方向）会在两个相隔特定角度的状态之间随机切换。这种双峰分布是挤压真空量子特性的特征。这意味着对于任何给定的爆发，其电场指向两个相反方向中的一个，而指向哪个方向在本质上是随机的。

这一发现对于生成随机性具有直接意义。因为每个爆发的相位都是真正的量子事件，所以它无法通过任何经典手段进行预测。研究人员利用这一特性创建了一串随机比特。通过将每个爆发的相位分配为一个二进制值，他们生成了一串通过了严格随机性统计测试的零和一序列。虽然他们目前的装置产生的比特率受限于激光的重复频率，但该方法本身为以拍赫兹（petahertz）频率生成随机数打开了大门。一个拍赫兹是每秒一千万亿次循环，这个速度远超当前电子计算机的处理能力。如果这项技术能够扩展到在单个脉冲内解析更多的爆发，随机数生成的速率可能会达到这种前所未有的水平，从而可能彻底改变安全通信和高速计算。

除了随机性之外，能够如此精细地观察光场还让科学家能够测量光随时间如何与其自身相关联。他们计算了某一时刻的光的强度和相位与稍后时刻的光之间的关系。他们发现，在脉冲中心附近（即光强最强的区域），其行为类似于单一的、孤立的光模。然而，当他们观察脉冲边缘时，行为发生了变化。相关性数值下降，表明多个独立的爆发正在相互重叠和干涉。这一观察结果证实了光并非单一的、连续的实体，而是由若干离散的、在时间上受限的模式组成的集合。数据与基于时间限制模式的理论模型相吻合，这表明该框架是描述这些超快、高强度状态下光行为的正确方式。

这项工作连接了两个此前相互独立的领域：处理光最快测量过程的阿秒计量学，以及研究光子统计属性的量子光学。通过将量子光学引入亚周期时间域，研究人员证明了光的量子行为不仅是随时间变化的统计平均，更是一个随时间演化的动态过程。这些爆发的随机性质——包括其随机相位和独立的波动——为观察量子真空提供了一个直接的窗口。这项研究表明，借助正确的工具，我们可以测量作为演化过程的量子态光，并将量子世界的固有随机性转化为一种可测量的、高带宽的资源。研究结果表明，量子信息处理的未来可能在于利用这些飞秒尺度的波动，将量子光的混沌爆发转化为一种强大的、经过认证的随机性和超快电子技术的引擎。