Исследование предоставляет экспериментальные доказательства генерации высоких гармоник, производящих квантовый свет

Генерация высоких гармоник (ГВГ) — это сильно нелинейное явление, при котором система (например, атом) поглощает множество фотонов лазера и излучает фотоны гораздо более высокой энергии, частота которых является гармоникой (то есть кратной) частота входящего лазера. Исторически теоретическое описание этого процесса рассматривалось с полуклассической точки зрения, которая рассматривала материю (электроны атомов) квантово-механически, а падающий свет — классически. Согласно этому подходу, излучаемые фотоны также должны вести себя классически.

Несмотря на это очевидное теоретическое несоответствие, описания было достаточно для проведения большинства экспериментов, и не было очевидной необходимости менять структуру. Лишь в последние несколько лет научное сообщество начало исследовать, может ли излучаемый свет действительно проявлять квантовое поведение, которое полуклассическая теория могла бы упустить из виду. Несколько теоретических групп, в том числе группа теории квантовой оптики в ICFO, уже показали, что при полном квантовом описании процесс ГГВГ излучает свет с квантовыми характеристиками.

Однако экспериментальное подтверждение таких предсказаний оставалось неуловимым до недавнего времени, когда группа во главе с Лабораторией оптических приложений (CNRS) в сотрудничестве с профессором ICREA в ICFO Йенсом Бигертом и другими многочисленными учреждениями (Институт квантовой оптики — Университет Лейбница в Ганновере, Фраунгофера) Институт прикладной оптики и точного машиностроения IOF, Йенский университет Фридриха Шиллера), продемонстрировал квантовую оптические свойства генерации высоких гармоник в полупроводниках. Результаты, появившиеся в PRX Квантумчто согласуется с предыдущими теоретическими предсказаниями о HHG.

В описанном эксперименте источник ГВГ работает при комнатной температуре с использованием стандартных полупроводников и коммерческого фемтосекундного инфракрасного лазера. Такая доступность позиционирует HHG как весьма многообещающую платформу для генерации неклассических состояний света, что, в свою очередь, может проложить путь к более надежным и масштабируемым квантовым устройствам, не требующим сложных систем охлаждения.

Два безошибочных признака квантового света

Теоретики уже предсказали, что фотоны, испускаемые в процессе ГГВГ, проявляют квантовое поведение, которое проявляется в двух определяющих характеристиках: запутанности и сжатии.

Запутывание происходит, когда две частицы становятся взаимосвязанными, так что измерение одной мгновенно влияет на результат после измерения другой, независимо от расстояния между ними. Эти сильные корреляции бросают вызов классической интуиции и могут возникнуть только в квантовом мире атомов, электронов и фотонов.

Сжатие, с другой стороны, связано с неизбежной неопределенностью при измерении определенных пар свойств в квантовой системе: увеличение точности измерения одной величины уменьшит точность измерения другой. Зажатые государства принимают этот компромисс. За счет увеличения шума одного свойства пары можно уменьшить шум дополнительного свойства.

В соответствии с предыдущими теоретическими предсказаниями команда экспериментально продемонстрировала наличие как запутывания, так и сжатия в излучаемом свете. Но как они этого добились?

Доказательство квантовой природы HHG

Сначала исследователи направили сверхбыстрые инфракрасные лазерные импульсы на образцы полупроводников — арсенид галлия, оксид цинка и кремний — для генерации высоких гармоник. Из всех сгенерированных гармоник с помощью оптических фильтров они выделили только две (третью и пятую). Затем их отправили в систему обнаружения, способную одновременно анализировать несколько гармоник, что имело решающее значение для выявления квантового поведения света.

Первый признак квантовости был связан со сжатием. Аппаратура зафиксировала, что дисперсия времени прибытия фотонов (и, следовательно, неопределенность, связанная с этой величиной) уменьшалась по мере увеличения интенсивности лазера. Такое уменьшение можно объяснить только сжатием, что является убедительным доказательством этой особенности.

После этого команда перешла к запутыванию. Чтобы продемонстрировать это, они измерили корреляцию между временем прихода фотонов третьей и пятой гармоник. Исследователи постоянно наблюдали сильные корреляции, непомерно высокие для классического источника, безошибочно указывающие на наличие квантовой запутанности.

Эти результаты делают генерацию высоких гармоник идеальной платформой для создания запутанных и сжатых фотонных систем при комнатной температуре.

«Оба свойства являются ключевыми ресурсами для многих квантовых технологий, которые, например, полагаются на запутанность для передачи информации или на сжатие для повышения точности измерений», — объясняет профессор Бигерт.

«Игнорирование квантово-оптических эффектов препятствовало возможности обнаружения неклассических особенностей. Но, надеюсь, теперь мы сможем использовать ГГГ для квантовых информационных, коммуникационных и сенсорных приложений во всем его потенциале».