Некаскадные случайные блуждания света в твердофазной генерации высоких гармоник

Почему важны крошечные шаги света

Случайные блуждания — пошаговые путешествия, управляемые вероятностью — лежат в основе всего: от моделей фондового рынка до того, как молекулы перемещаются в стакане воды. В квантовом мире похожие блуждания, совершаемые частицами света, могут стать основой новых типов вычислений и сверхбыстрой обработки информации. Однако обычное оптическое оборудование, позволяющее фотонам выполнять такие блуждания, громоздко и состоит из множества каскадных элементов, что затрудняет интеграцию на чип. В этой работе предложен радикально иной путь: использование кристалла, который мгновенно преобразует один специально сформированный лазерный импульс в множество «шагов» случайного блуждания одновременно, закодированных в закрученных структурах испускаемого света.

От подбрасывания монеты к траекториям света

Классические случайные блуждания представляют себе ходока, который подбрасывает монету, чтобы решить, шагать ли влево или вправо, постепенно расширяя распределение со временем. Квантовые блуждания заменяют и монету, и ходока квантовыми состояниями, которые могут находиться в суперпозиции, что даёт более широкие и сложные профили распространения. В фотонике «монетой» часто выступает поляризация света, а «позицией» — направление или пространственная структура пучка. Авторы развивают эту идею, используя свойство света, называемое орбитальным угловым моментом, связанное со спиральными или кольцевыми фронтами волн, в качестве одномерной линии, по которой перемещается ходок. Поляризация света играет роль монеты, решающей направление каждого шага.

Кристалл, который делает все шаги сразу

Вместо того чтобы пропускать свет через длинную сеть полупрозрачных пластин для последовательной реализации многих шагов, команда использует твердотельную генерацию высоких гармоник внутри одного кристалла. Когда интенсивный специально структурированный лазерный пучок входит в кристалл, электроны вынужденно движутся в ультрабыстрых петлях и испускают свет на кратные исходному цвету частоты — так называемые гармоники. Каждый порядок гармоники соответствует поглощению определённого числа входных фотонов в одном акте. Поскольку эти акты поглощения могут включать разные комбинации поляризации и орбитального углового момента, получающиеся гармонические пучки естественным образом кодируют, где ходок мог бы оказаться после одного, двух, трёх или более шагов. Ключевое — все эти шаги происходят одновременно в одном микроскопическом фрагменте материала.

Формирование света для программирования блуждания

Чтобы запустить блуждание, исследователи сначала готовят входящий пучок, в котором поляризация и орбитальный угловой момент тщательно переплетены с помощью простых оптических пластин. Этот пучок содержит четыре базовых типа фотонов, различающихся по спину (левая или правая поляризация) и «скручиванию» (орбитальный угловой момент плюс или минус единицу). Когда такие фотоны поглощаются внутри α-кварца, не обладающего центром инверсии, правила отбора, связанные с трёхкратной ротационной симметрией кристалла, определяют допустимые комбинации. В результате образуется серия гармонических пучков — второй, третий, четвёртый порядок и далее — каждый со своими характерными кольцевыми рисунками интенсивности и текстурами поляризации. Анализируя эти картины с помощью поляризационных фильтров и устройств формирования фазы, команда реконструирует, как ходок распространяется по множеству состояний орбитального углового момента на каждом эффективном шаге.

Новый тип вероятностного ландшафта

Распределение финальных позиций в пространстве орбитального углового момента заметно отличается как от обычных классических блужданий, так и от стандартных квантовых. Классические блуждания, как правило, формируют плавные колоколообразные профили, тогда как квантовые блуждания обычно более резко расщеплены и «диффузны». Напротив, высокогармонические блуждания демонстрируют структуры, такие как плоские вершины распределения вероятности и расширенные, сильно модулированные профили. Эти особенности возникают из тонкого взаимодействия: множество способов, которыми несколько фотонов могут быть поглощены в кристалле (классический счётный эффект), сочетается с квантовыми правилами отбора, навязанными симметрией кристалла. Более того, добавляя второй цвет возбуждающего света или меняя его поляризацию, авторы теоретически показывают, что можно усиливать одни пути и подавлять другие, программируемо смещая блуждание.

К пути к крошечным ультрабыстрым вычислителям на основе света

Если говорить просто, эта работа превращает единый кристалл в самодостаточную площадку, где свет может одновременно исследовать многие возможные траектории, а его закрученные паттерны служат позициями на линии. Поскольку все шаги блуждания генерируются совместно в спектре частот, а не последовательно в пространстве, установка избегает сложности и хрупкости длинных оптических схем. Всего пара стандартных оптических пластин и должным образом структурированный кристалл указывают путь к компактным, стабильным чипам, которые могли бы выполнять алгоритмы на основе случайных блужданий в высоких измерениях на фемтосекундных скоростях. Таким образом работа создаёт связующее звено между физикой сильного взаимодействия света и вещества и новыми схемами для квантовой и классической обработки информации в твёрдых материалах.

Цитирование: Zuo, Z., Wang, Y., Pan, S. et al. Non-cascade random walks in solid-state high harmonic generation. Nat Commun 17, 2912 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69668-7

Ключевые слова: квантовая прогулка, генерация высоких гармоник, орбитальный угловой момент, фотонная обработка информации, оптика твердого тела