Evidència experimental mostra que la generació d’alts harmònics produeix llum quàntica

La generació d’alts harmònics (HHG, per les seves sigles en anglès) és un fenomen altament no lineal en què un sistema (per exemple, un àtom) absorbeix molts fotons d’un làser i emet fotons d’energia molt més alta, la freqüència dels quals és un harmònic (és a dir, un múltiple) de la freqüència del làser incident. Històricament, la descripció teòrica d’aquest procés s’ha abordat des d’una perspectiva semi-clàssica, que tracta la matèria (els electrons dels àtoms) quànticament, però la llum incident clàssicament. Segons aquest enfocament, els fotons emesos també haurien de comportar-se de manera clàssica.

Malgrat aquesta evident discrepància teòrica, la descripció era suficient per dur a terme la majoria d’experiments, i aparentment no hi havia necessitat de canviar el marc teòric. Només en els darrers anys la comunitat científica ha començat a explorar la possibilitat que la llum emesa realment mostri un comportament quàntic, fet que la teoria semi-clàssica podria haver passat per alt. Diversos grups teòrics, incloent el grup de Teoria d’Òptica Quàntica de l’ICFO (vegeu una notícia relacionada), ja han mostrat que, sota una descripció completament quàntica, el procés de HHG emet llum amb característiques quàntiques.

Tanmateix, la validació d’aquestes prediccions seguia eludint els esforços experimentals fins que, recentment, un equip liderat pel Laboratoire d’Optique Appliquée (CNRS), en col·laboració amb el Professor ICREA de l’ICFO Jens Biegert i altres institucions (Institut für Quantenoptik - Leibniz Universität Hannover, Institut Fraunhofer d’Òptica Aplicada i Enginyeria de Precisió IOF, Friedrich-Schiller-Universität Jena), ha demostrat les propietats òptiques quàntiques de la generació d’alts harmònics en semiconductors. Els resultats, publicats a Physical Review X Quantum, estan alineats amb les prediccions teòriques prèvies sobre l’HHG.

En el seu experiment, la font d’HHG opera a temperatura ambient utilitzant semiconductors estàndard i un làser infraroig comercial de femtosegons. Aquesta accessibilitat posiciona l’HHG com una plataforma altament prometedora per generar estats de llum no clàssica, la qual cosa, al seu torn, pot aplanar el camí cap a dispositius quàntics més robustos i escalables que no requereixin sistemes de refrigeració complexos.

Dos senyals inequívocs de llum quàntica

Els teòrics ja havien predit que els fotons emesos a través d’un procés d’HHG mostren un comportament quàntic, que es manifesta en dues característiques definitòries: l’entrellaçament i la compressió.

L’entrellaçament ocorre quan dues partícules s’interconnecten de tal manera que mesurar-ne una influeix instantàniament el resultat de mesurar-ne l’altra, independentment de la distància que les separa. Aquestes fortes correlacions desafien la intuïció clàssica i només poden donar-se en el món quàntic dels àtoms, electrons i fotons.

La compressió, d’altra banda, està relacionada amb la incertesa inevitable quan es mesuren certs parells de propietats en un sistema quàntic: augmentar la precisió de la mesura d’una quantitat disminueix la precisió de la mesura de l’altra. Els estats comprimits acullen aquest compromís. Així, a costa d’augmentar el soroll d’una propietat del parell, poden reduir el soroll de la propietat complementària.

En concordança amb prediccions teòriques prèvies, l’equip va demostrar experimentalment la presència tant d’entrellaçament com de compressió en la llum emesa. Però, com ho van aconseguir?

Evidenciant la naturalesa quàntica de l’HHG

Primer, els investigadors van dirigir polsos làser infraroigs ultraràpids cap a mostres de semiconductors —arsenur de gal·li, òxid de zinc i silici— per induir la generació d’alts harmònics. De tots els harmònics generats, van seleccionar-ne només dos (el tercer i el cinquè) utilitzant filtres òptics. Aquests es van enviar a un sistema de detecció capaç d’analitzar múltiples harmònics simultàniament, la qual cosa va ser crucial a l’hora de revelar el comportament quàntic de la llum.

El primer senyal de la naturalesa quàntica va estar relacionat amb la compressió. L’equip va registrar que la variància en els temps d’arribada dels fotons (i, per tant, la incertesa associada a aquesta quantitat) disminuïa a mesura que augmentava la intensitat del làser. Aquesta reducció només podia explicar-se per la compressió, proporcionant una evidència sòlida d’aquesta característica. Després, l’equip es va centrar en l’entrellaçament. Per demostrar-lo, van mesurar la correlació entre els temps d’arribada dels fotons provinents del tercer i cinquè harmònics. Els investigadors van observar consistentment fortes correlacions que són prohibitives per a una font clàssica, indicant de manera inequívoca la presència d’entrellaçament quàntic.

Aquests descobriments estableixen la generació d’alts harmònics com una plataforma ideal per produir sistemes fotònics entrellaçats i comprimits a temperatura ambient. “Ambdues característiques són recursos clau per a moltes tecnologies quàntiques, que, per exemple, depenen de l’entrellaçament per transmetre informació o de la compressió per millorar la precisió de les mesures”, explica el Professor ICREA Jens Biegert. “Ignorar els efectes òptics quàntics ens estava impedint detectar característiques no clàssiques. Però, amb sort, ara podrem explotar tot el potencial de l’HHG per a aplicacions d’informació, comunicació i sensors quàntics”.

Referència:

David Theidel, Viviane Cotte, René Sondenheimer, Viktoriia Shiriaeva, Marie Froidevaux, Vladislav Severin, Adam Merdji-Larue, Philip Mosel, Sven Fröhlich, Kim-Alessandro Weber, Uwe Morgner, Milutin Kovacev, Jens Biegert, and Hamed Merdji, PRX Quantum 5, 040319 (2024).

DOI: https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.5.040319

Agraïments:

H.M. acknowledges financial support from the European Innovation Council contract EIC open “NanoXCAN” (Grant No. 101047223) and Architects of Next Generation Communication (ATTOCOM) and Quantum diffractive Nanoscale Microscopy contracts from the Agence Nationale de la Recherche (ANR). J.B. acknowledges financial support from the European Research Council (ERC) for ERC Advanced Grant “TRANSFORMER” (Grant No. 788218), ERC Proof of Concept Grant “miniX” (Grant No. 840010), FET OPEN “PETACom” (Grant No. 829153), FET OPEN “OPTOlogic” (Grant No. 899794), and FET OPEN “TwistedNano” (Grant No. 101046424), from Laserlab-Europe (Grant No. 871124), from the Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Networks (ITN) “smart-X” (Grant No. 860553), from the Ministerio de Economía, Comercio y Empresa (MINECO) for Plan Nacional PID2020–112664 GB-I00, from the Agencia de Gestio d’Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR) for 2017 SGR 1639, from MINECO for “Severo Ochoa” (CEX2019-000910-S), from the Fundació Cellex Barcelona, from the Centres de Recerca de Catalunya (CERCA) Program–Generalitat de Catalunya, and from the Alexander von Humboldt Foundation for the Friedrich Wilhelm Bessel Prize. This work was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (German Research Foundation, DFG) under Grant No. KO 3798/11-1. M.K. acknowledges support from the DFG under Germany’s Excellence Strategy within the Cluster of Excellence PhoenixD (EXC 2122, Project ID 390833453) and Quantum Frontiers (EXC-2123, Project ID 390837967).