Fizycy przewrócili kota Schrödingera na głowę

Naukowcy opracowali pionierską metodę wykonywania częściowej transformaty Fouriera impulsów optycznych z wykorzystaniem pamięci kwantowej. To wyjątkowe osiągnięcie polegało na przekształceniu stanu „kota Schrödingera”, który ma potencjalne zastosowania w komunikacji i spektroskopii.

Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego we współpracy z ekspertami z Centrum Kwantowych Technologii Optycznych QOT stworzyli innowacyjną technikę, która pozwala na wykonanie częściowej transformaty Fouriera impulsów świetlnych z wykorzystaniem pamięci kwantowej.

Osiągnięcie to jest unikatowe na skalę światową, gdyż zespół jako pierwszy zapewnił eksperymentalne zastosowanie wspomnianej transformacji w tego typu układach. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego. W swojej pracy studenci testowali realizację częściowej transformaty Fouriera przy użyciu podwójnego impulsu optycznego, znanego również jako warunek „kota Schrödingera”.

Widmo impulsów i rozkład czasu

Fale, podobnie jak światło, mają swoje własne cechy charakterystyczne – czas trwania impulsu i jego częstotliwość (odpowiadającą w przypadku światła jego barwie). Okazuje się, że właściwości te są ze sobą powiązane poprzez proces zwany transformatą Fouriera, który umożliwia przejście od opisu fali w czasie do opisu jej widma w częstotliwościach.

Ułamkowa transformata Fouriera jest uogólnieniem transformaty Fouriera, która umożliwia częściowe przejście od opisu fali w czasie do opisu częstotliwości. Intuicyjnie można to rozumieć jako obrót rozkładu (np. czasowocyklicznej funkcji Wignera) badanego sygnału o zadany kąt w dziedzinie czas-częstotliwość.

Studenci w laboratorium demonstrują rotację stanów kota Schrödingera. Żaden prawdziwy kot nie odniósł obrażeń podczas projektu. Źródło: S. Korzina i B. Neaulta z Uniwersytetu Warszawskiego

Transformacje tego typu okazały się wyjątkowo przydatne przy projektowaniu specjalnych filtrów spektralnych i czasowych eliminujących szum oraz umożliwiają tworzenie algorytmów pozwalających na wykorzystanie kwantowej natury światła do dokładniejszego niż w przypadku metod konwencjonalnych rozróżniania impulsów o różnych częstotliwościach . Jest to szczególnie ważne w spektroskopii, która pomaga w badaniu właściwości chemicznych materii oraz w telekomunikacji, która wymaga przesyłania i przetwarzania informacji z dużą dokładnością i szybkością.

Soczewki i transformata Fouriera?

Zwykła szklana soczewka jest w stanie skupić padającą na nią wiązkę światła monochromatycznego w przybliżeniu w jednym punkcie (ognisko). Zmiana kąta padania światła na obiektyw powoduje zmianę położenia ostrości. Pozwala to na konwersję kątów padania na pozycje, uzyskując analogię do transformaty Fouriera w przestrzeni kierunków i położeń. Klasyczne spektrografy oparte na siatkach dyfrakcyjnych wykorzystują ten efekt do przekształcania informacji o długości fali światła na pozycje, co pozwala nam rozróżnić linie widmowe.

Soczewki czasu i częstotliwości

Podobnie jak soczewka szklana, soczewki czasowo-częstotliwościowe umożliwiają przekształcenie czasu trwania impulsu na jego rozkład widmowy lub skutecznie wykonanie transformaty Fouriera w przestrzenno-częstotliwościowym czasie. Właściwy dobór mocy tych soczewek umożliwia wykonanie ułamkowej transformaty Fouriera. W przypadku impulsów optycznych działanie soczewek czasowych i częstotliwościowych odpowiada przyłożeniu do sygnału faz kwadratowych.

Do przetworzenia sygnału badacze wykorzystali pamięć kwantową – a dokładniej pamięć wyposażoną w możliwości przetwarzania światła kwantowego – opartą na chmurze atomów rubidu umieszczonych w pułapce magnetooptycznej. Atomy ochłodzono do temperatury kilkudziesięciu milionów stopni wyższej Zero absolutne. Pamięć umieszczana jest w zmiennym polu magnetycznym, co pozwala na przechowywanie składników o różnych częstotliwościach w różnych częściach chmury. Impuls poddano działaniu soczewki czasu podczas zapisu i odczytu oraz soczewki częstotliwości podczas przechowywania.

Urządzenie opracowane na Uniwersytecie Wisconsin pozwala na realizację takich soczewek w bardzo szerokim zakresie parametrów i w sposób programowalny. Podwójny impuls jest bardzo podatny na dekoherencję, dlatego często porównuje się go do słynnego kota Schrödingera – mikroskopijnej superpozycji twojego martwego i żywego wszechświata, co jest prawie niemożliwe do osiągnięcia eksperymentalnie. Jednak zespołowi udało się przeprowadzić precyzyjne operacje na tych delikatnych obudowach z podwójnym impulsem.

Publikacja powstała w wyniku pracy w Laboratorium Kwantowych Urządzeń Optycznych i Laboratorium Pamięci Kwantowej w Centrum „Kwantowych Technologii Optycznych” przy udziale dwóch studentów studiów magisterskich: Stanisława Korziny i Marcina Jastrzębskiego, dwóch studentów studiów licencjackich Bartosza Neaulta i Jana Nowosielski i dr. Mateusz Maslanyk oraz kierownicy laboratorium dr Michał Barniak i profesor Wojciech Wasilewski. Za opisane wyniki Bartosz Neault otrzymał także nagrodę za prezentację grantu podczas niedawnej konferencji DAMOP w Spokane w stanie Waszyngton.

Przed bezpośrednim zastosowaniem w komunikacji metodę należy najpierw przypisać do innych długości fal i zakresów parametrów. Jednakże ułamkowa transformata Fouriera może mieć kluczowe znaczenie dla odbiorników optycznych we współczesnych sieciach, w tym w optycznych łączach satelitarnych. Kwantowy procesor światła opracowany na Uniwersytecie Wisconsin umożliwia znalezienie takich nowych protokołów i wydajne ich testowanie.

Literatura: „Eksperymentalna implementacja optycznej frakcyjnej transformaty Fouriera w dziedzinie czasowo-częstotliwościowej” autorstwa Bartosza Neaulta, Marcina Jastrzębskiego, Stanisława Korzyny, Jana Nowoselskiego, Wojciecha Wasilewskiego, Mateusza Mazilanica i Michała Barniaka, 12 czerwca 2023 r., Listy z przeglądu fizycznego.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Projekt „Kwantowe technologie optyczne” (MAB/2018/4) realizowany jest w ramach Programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji Nauki Polskiej i współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.