Fizicienii întorc pisica lui Schrödinger pe cap

Cercetătorii au dezvoltat o metodă de pionierat pentru a efectua transformarea Fourier fracțională a impulsurilor optice folosind memoria cuantică. Această realizare unică a implicat efectuarea transformării stării „pisica lui Schrödinger”, care are potențiale aplicații în comunicații și spectroscopie.

Cercetătorii de la Facultatea de Fizică a Universității din Varșovia, în colaborare cu experți de la Centrul QOT pentru Tehnologii Optice Cuantice, au creat o tehnologie inovatoare care permite efectuarea transformării Fourier fracționale a impulsurilor optice folosind memoria cuantică.

Această realizare este unică la nivel global, deoarece echipa a fost prima care a prezentat o aplicație experimentală a transformării menționate mai sus în acest tip de sistem. Rezultatele cercetării au fost publicate în prestigioasa jurnală Scrisori de revizuire fizică. În munca lor, studenții au testat implementarea unei transformări Fourier fracționale folosind un impuls optic dublu, cunoscut și sub denumirea de condiția „pisica lui Schrödinger”.

Spectrul pulsului și distribuția timpului

Undele, ca și lumina, au proprietăți caracteristice proprii – durata pulsului și frecvența acestuia (corespunzând, în cazul luminii, culorii acesteia). Se pare că aceste proprietăți sunt legate între ele printr-un proces numit transformată Fourier, care face posibilă trecerea de la descrierea unei unde în timp la descrierea spectrului său în frecvențe.

Transformarea Fourier fracțională este o generalizare a transformării Fourier care permite o tranziție parțială de la o descriere a unei unde în timp la o descriere în frecvență. Intuitiv, poate fi înțeles ca o rotație a unei distribuții (de exemplu, funcție toroidală de timp Wigner) a semnalului studiat la un unghi dat în domeniul timp-frecvență.

Elevii din laborator demonstrează rotația stărilor pisicii lui Schrödinger. Nicio pisică reală nu a fost rănită în timpul proiectului. Sursa: S. Korzina și B. Neault, Universitatea din Varșovia

Transformările de acest fel se dovedesc a fi extrem de utile în proiectarea filtrelor spectrale și temporale speciale pentru a elimina zgomotul și pentru a permite crearea de algoritmi care fac posibilă utilizarea naturii cuantice a luminii pentru a distinge impulsurile de diferite frecvențe mai precis decât în ​​cazul metodelor convenționale. Acest lucru este deosebit de important în spectroscopie, care ajută la studiul proprietăților chimice ale materiei, și în telecomunicații, care necesită transmiterea și procesarea informațiilor cu precizie și viteză ridicate.

Lentile și transformarea Fourier?

O lentilă de sticlă obișnuită este capabilă să focalizeze un fascicul de lumină monocromatică care cade asupra ei până la aproximativ un singur punct (focalizare). Schimbarea unghiului de lumină care cade pe obiectiv modifică poziția de focalizare. Acest lucru ne permite să convertim unghiurile de incidență în poziții, obținând o analogie cu transformata Fourier, în spațiul direcțiilor și al pozițiilor. Spectrografele clasice bazate pe rețele de difracție folosesc acest efect pentru a converti informațiile despre lungimea de undă a luminii în poziții, permițându-ne să distingem liniile spectrale.

Lentile de timp și frecvență

Similar cu o lentilă de sticlă, lentilele de timp-frecvență permit ca durata pulsului să fie convertită în distribuția sa spectrală sau, în mod eficient, să realizeze o transformare Fourier în frecvență spațiu-timp. Selectarea corectă a puterilor acestor lentile face posibilă efectuarea unei transformări Fourier fracționale. În cazul impulsurilor optice, acțiunea lentilelor de timp și frecvență corespunde aplicării fazelor pătratice la semnal.

Pentru a procesa semnalul, cercetătorii au folosit o memorie cuantică – sau mai precis o memorie echipată cu capacități de procesare a luminii cuantice – bazată pe un nor de atomi de rubidiu plasați într-o capcană magneto-optică. Atomii au fost răciți la o temperatură de zeci de milioane de grade deasupra Zero absolut. Memoria este plasată într-un câmp magnetic variabil, permițând stocarea componentelor de diferite frecvențe în diferite părți ale norului. Pulsul a fost supus unei lentile de timp în timpul scrierii și citirii și unei lentile de frecvență în timpul stocării.

Dispozitivul dezvoltat la Universitatea din Wisconsin permite ca astfel de lentile să fie implementate pe o gamă foarte largă de parametri și într-o manieră programabilă. Pulsul dublu este foarte vulnerabil la decoerență și, prin urmare, este adesea comparat cu celebra pisică a lui Schrödinger – o suprapunere microscopică a faptului că este viu și mort, aproape imposibil de realizat experimental. Cu toate acestea, echipa a reușit să efectueze operații precise pe aceste carcase fragile cu dublu puls.

Publicația a fost rezultatul muncii în Laboratorul de Dispozitive Optice Cuantice și Laboratorul de Memorie Cuantică de la Centrul pentru „Tehnologii Optice Cuantică” cu participarea a doi masteranzi: Stanislaw Korzina și Marcin Yastrzebski, doi studenți de licență Bartosz Neault și Jan. Novosielski și Dr. Mateusz Maslanyk, și șefii laboratorului, dr. Michal Barniak și profesorul Wojciech Wasilewski. Pentru rezultatele descrise, Bartosz Neault a primit, de asemenea, un premiu de prezentare a grantului în timpul recentei conferințe DAMOP din Spokane, Washington.

Înainte de aplicarea directă în comunicații, metoda trebuie mai întâi mapată la alte lungimi de undă și intervale de parametri. Cu toate acestea, transformarea Fourier fracțională poate fi crucială pentru receptoarele optice din rețelele moderne, inclusiv legăturile optice prin satelit. Un procesor de lumină cuantică dezvoltat la Universitatea din Wisconsin face posibilă găsirea unor astfel de noi protocoale și testarea lor într-un mod eficient.

Referințe: „Implementarea experimentală a transformării optice fracționale Fourier în domeniul timp-frecvență” de Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic și Michal Barniak, 12 iunie 2023, Scrisori de revizuire fizică.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Proiectul „Tehnologii optice cuantice” (MAB/2018/4) este implementat în cadrul Programului Agende Internaționale de Cercetare al Fundației Poloneze pentru Știință și cofinanțat de Uniunea Europeană în cadrul Fondului European de Dezvoltare Regională.