三种不同半导体的组合结果。实验从三种不同晶体中产生的三次和第五次高次谐波中获得单光束和双光束二阶相关值。数据显示为 Keldysh 参数的函数。Keldysh 参数 γK 提供了有关强场相互作用状态的信息，同时考虑了驱动激光强度以及降低的电子质量和材料的带隙。GaAs 即使在最低的 Keldysh 参数下也显示出超泊松统计量。当 Keldysh 参数减小时（即，由于驱动激光强度的增加），将观察到从超泊松光子数统计到泊松光子数统计的转变，与生成介质无关。光子统计中的过渡暗示了非经典光状态的产生。蓝色区域表示带有 g 的超束值(2)> 2 .图片来源：PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.040319
高谐波产生 （HHG） 是一种高度非线性的现象，其中系统（例如原子）吸收激光的许多光子并发射能量高得多的光子，其频率是入射激光频率的谐波（即倍数）。从历史上看，这个过程的理论描述是从半经典的角度来处理的，它以量子力学方式处理物质（原子的电子），但以经典方式处理入射光。根据这种方法，发射的光子也应表现为经典。
尽管存在明显的理论不匹配，但描述足以进行大多数实验，并且显然没有必要改变框架。直到最近几年，科学界才开始探索发射的光是否真的可以表现出量子行为，而半经典理论可能忽略了这一点。几个理论小组，包括 ICFO 的量子光学理论小组，已经表明，在完整的量子描述下，HHG 过程发射具有量子特征的光。
然而，这种预测的实验验证仍然难以捉摸，直到最近，由光学应用实验室 （CNRS） 领导的一个团队与 ICREA 的 ICREA 教授 Jens Biegert 和其他多个机构（汉诺威量子光学研究所、弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所、耶拿弗里德里希-席勒大学）合作，证明了半导体中高谐波产生的量子光学特性。出现在 PRX Quantum 中的结果与之前关于 HHG 的理论预测一致。
在报告的实验中，HHG 源使用标准半导体和商用飞秒红外激光器在室温下运行。这种可访问性使 HHG 成为生成非经典光态的非常有前途的平台，这反过来又可以为不需要复杂冷却系统的更强大和可扩展的量子设备铺平道路。
量子光的两个明确标志理论家已经预测，通过 HHG 过程发射的光子表现出量子行为，这表现为两个决定性的特征：纠缠和挤压。
当两个粒子相互连接时，就会发生纠缠，因此，无论它们之间的距离如何，测量一个粒子都会在测量另一个粒子后立即影响结果。这些强相关性违背了经典的直觉，只能发生在原子、电子和光子的量子世界中。
另一方面，在测量量子系统中的某些属性对时，压缩与不可避免的不确定性有关：增加一个量的测量精度会降低另一个量的测量精度。受挤压的国家接受这种权衡。以增加对中一个属性的噪声为代价，它们可以降低互补属性的噪声。
与之前的理论预测一致，该团队通过实验证明了发射光中存在纠缠和挤压。但他们是如何实现的呢？
证明 HHG 的量子性质首先，研究人员将超快红外激光脉冲对准半导体样品（砷化镓、氧化锌和硅），以驱动高谐波产生。从所有生成的谐波中，他们使用滤光片只选择了其中的两个（第三个和第五个）。然后，这些被发送到能够同时分析多个谐波的检测系统，这对于揭示光的量子行为至关重要。
量子的第一个迹象与挤压有关。该设备记录到，光子到达时间的方差（因此，与该量相关的不确定性）随着激光强度的增加而减小。这种减少只能用挤压来解释，为这一特性提供了确凿的证据。
在那之后，团队转向了纠缠。为了证明这一点，他们测量了来自三次谐波和五次谐波的光子到达时间之间的相关性。研究人员一直观察到强相关性，这对于经典来源来说是令人望而却步的，这无疑表明了量子纠缠的存在。
这些发现将高谐波产生确立为在室温下产生纠缠和挤压光子系统的理想平台。
“这两个功能都是许多量子技术的关键资源，例如，这些技术依靠纠缠来传输信息，或依靠挤压来提高测量精度，”Biegert 教授解释说。
“忽视量子光学效应阻碍了检测非经典特征的可能性。但是，希望现在我们能够将 HHG 用于量子信息、通信和传感应用的所有潜力。
更多信息：David Theidel 等人，高谐波产生的量子光学性质的证据，PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.040319
期刊信息： PRX Quantum
