Demuestran que la generación de altos armónicos produce luz cuántica

La generación de altos armónicos (HHG, por sus siglas en inglés) es un fenómeno altamente no lineal en el cual un sistema (por ejemplo, un átomo) absorbe muchos fotones de un láser y emite fotones de energía mucho mayor, cuya frecuencia es un armónico (es decir, un múltiplo) de la frecuencia a la que vibra el láser entrante. Históricamente, la descripción teórica de este proceso se ha abordado desde una perspectiva semiclásica, que trata la materia (los electrones de los átomos) cuánticamente, pero la luz incidente clásicamente. Según este enfoque, los fotones emitidos también deberían comportarse de manera clásica.

A pesar de esta evidente discrepancia teórica, la descripción era suficiente para llevar a cabo la mayoría de los experimentos, y aparentemente no había ninguna necesidad de cambiar el marco teórico. Solo en los últimos años la comunidad científica ha comenzado a explorar la posibilidad de que la luz emitida realmente exhiba un comportamiento cuántico, algo que la teoría semiclásica podría haber pasado por alto. Varios grupos teóricos, incluido el grupo de Teoría de Óptica Cuántica del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, ya mostraron que, bajo una descripción completamente cuántica, el proceso de generación de altos armónicos emite luz con características cuánticas.

Sin embargo, la validación de estas predicciones continuaba eludiendo los esfuerzos experimentales hasta que ahora un equipo ha demostrado las propiedades ópticas cuánticas de la generación de altos armónicos en semiconductores. Los resultados del nuevo estudio están alineados con las predicciones teóricas previas sobre la generación de altos armónicos.

El equipo que ha realizado este estudio lo ha liderado el Laboratorio de Óptica Aplicada del Centro Nacional francés de Investigación Científica (CNRS), en colaboración con el profesor ICREA del ICFO Jens Biegert y especialistas de otras instituciones, incluyendo el Instituto de Óptica Cuántica de la Universidad Leibniz de Hannover en Alemania, el Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión en Alemania y la Universidad Friedrich Schiller de Jena en Alemania.

En su experimento, la fuente de generación de altos armónicos opera a temperatura ambiente utilizando semiconductores estándar y un láser infrarrojo comercial de femtosegundos. Esta accesibilidad posiciona la generación de altos armónicos como una plataforma altamente prometedora para generar estados de luz no clásica, lo que, a su vez, puede allanar el camino hacia dispositivos cuánticos más robustos y escalables que no requieran sistemas de enfriamiento complejos.

Recreación artística de luz cuántica. (Ilustración: Amazings / NCYT)

Los teóricos ya habían predicho que los fotones emitidos a través de un proceso de generación de altos armónicos exhiben un comportamiento cuántico, que se manifiesta en dos características definitorias: el entrelazamiento y la compresión.

El entrelazamiento ocurre cuando dos partículas se interconectan de tal manera que medir una influye instantáneamente en el resultado de medir la otra, independientemente de la distancia entre ellas. Estas fuertes correlaciones desafían la intuición clásica y solo pueden darse en el mundo cuántico de los átomos, electrones y fotones.

La compresión, por otro lado, está relacionada con la inevitable incertidumbre cuando se miden ciertos pares de propiedades en un sistema cuántico: aumentar la precisión de la medición de una cantidad disminuirá la precisión de la medición de la otra. Los estados comprimidos acogen este compromiso. Así, a costa de aumentar el ruido de una propiedad del par, pueden reducir el ruido de la propiedad complementaria.

En concordancia con predicciones teóricas previas, el equipo, encabezado por David Theidel de la Escuela Nacional Superior de Técnicas Avanzadas (ENSTA) en Francia,  demostró experimentalmente la presencia tanto de entrelazamiento como de compresión en la luz emitida. Pero, ¿cómo lo lograron?

Primero, los investigadores dirigieron pulsos láser infrarrojos ultrarrápidos hacia muestras de semiconductores —arseniuro de galio, óxido de zinc y silicio— para inducir la generación de altos armónicos. De todos los armónicos generados, seleccionaron solo dos de ellos (el tercero y el quinto) usando filtros ópticos. Estos fueron enviados a un sistema de detección capaz de analizar múltiples armónicos simultáneamente, lo cual fue crucial para revelar el comportamiento cuántico de la luz.

La primera señal de la naturaleza cuántica estuvo relacionada con la compresión. El equipo registró que la varianza en los tiempos de llegada de los fotones (y, por ende, la incertidumbre asociada a esta cantidad) disminuía a medida que la intensidad del láser aumentaba. Esta reducción solo podía explicarse por la compresión, proporcionando una evidencia sólida de esta característica. Después, el equipo se enfocó en el entrelazamiento. Para demostrarlo, midieron la correlación entre los tiempos de llegada de los fotones provenientes del tercer y quinto armónicos. Los investigadores observaron consistentemente fuertes correlaciones que son prohibitivas para una fuente clásica, indicando de manera inequívoca la presencia de entrelazamiento cuántico.

Estos hallazgos establecen la generación de altos armónicos como una plataforma ideal para producir sistemas fotónicos entrelazados y comprimidos a temperatura ambiente. “Ambas características son recursos clave para muchas tecnologías cuánticas, que, por ejemplo, dependen del entrelazamiento para transmitir información o de la compresión para mejorar la precisión de las mediciones”, explica el Profesor ICREA Jens Biegert. “Ignorar los efectos ópticos cuánticos nos estaba impidiendo detectar características no clásicas. Pero, con suerte, ahora podremos explotar todo el potencial de la generación de altos armónicos para aplicaciones de información, comunicación y sensores cuánticos”.

El estudio se titula “Evidence of the Quantum Optical Nature of High-Harmonic Generation”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review X Quantum. (Fuente: ICFO)