Výskumníci vyvinuli bezprecedentnú metódu na vykonanie frakčnej Fourierovej transformácie optických impulzov pomocou kvantovej pamäte. Tento jedinečný úspech zahŕňal implementáciu prechodu stavu „Schrödingerovej mačky“ s potenciálnymi aplikáciami v telekomunikáciách a spektroskopii.
Výskumníci z Fakulty fyziky Varšavskej univerzity v spolupráci s odborníkmi z QOT Center for Quantum Optical Technologies vyvinuli inovatívnu techniku, ktorá umožňuje vykonávať frakčné Fourierove transformácie optických impulzov pomocou kvantovej pamäte.
Tento počin je celosvetovo unikátny, keďže tím ako prvý predstavil experimentálnu implementáciu uvedenej zmeny v tomto type systému. Výsledky výskumu publikované v prestížnych časopisoch fyzický recenzný papier, Študenti vo svojej práci testovali implementáciu frakčnej Fourierovej transformácie pomocou dvojitého optického impulzu, známeho aj ako situácia „Schrödingerovej mačky“.
Spektrum a časové rozloženie impulzu
Vlny, ako je svetlo, majú svoje špecifické vlastnosti – trvanie pulzu a frekvenciu (v prípade svetla zodpovedajúcu jeho farbe). Ukazuje sa, že tieto charakteristiky spolu súvisia prostredníctvom operácie nazývanej Fourierova transformácia, ktorá umožňuje prejsť od opisu vlny v čase k opisu jej spektra vo frekvenciách.
Frakčná Fourierova transformácia je zovšeobecnením Fourierovej transformácie, ktorá umožňuje zlomkový prechod od popisu tvaru vlny v čase k popisu vo frekvencii. Intuitívne ho možno chápať ako rotáciu rozloženia uvažovaného signálu (napríklad chronocyklickej Wignerovej funkcie) o určitý uhol v časovo-frekvenčnej oblasti.
Študenti v laboratóriu prezentujú rotáciu polohy Schrödingerovej mačky. Počas projektu neboli zranené žiadne skutočné mačky. Kredit: S. Kurzina a B. Nivelot, Varšavská univerzita
Ukazuje sa, že tieto typy transformácií sú mimoriadne užitočné pri navrhovaní špeciálnych spektrálno-časových filtrov na elimináciu šumu a umožnenie konštrukcie algoritmov, ktoré filtrujú impulzy rôznych frekvencií presnejšie ako konvenčné Umožňujú využiť kvantovú povahu svetla na odlíšiť. Metódy. To je dôležité najmä v spektroskopii, ktorá pomáha študovať chemické vlastnosti hmoty, a v telekomunikáciách, ktoré vyžadujú prenos a spracovanie informácií s vysokou presnosťou a rýchlosťou.
Objektív a Fourierova transformácia?
Bežná sklenená šošovka je schopná zaostriť monochromatický lúč svetla, ktorý na ňu dopadá, približne do bodu (zaostrenia). Zmenou uhla dopadu svetla na šošovku sa zmení poloha zaostrenia. To nám umožňuje previesť uhly dopadu na polohy, čím sa dosiahne analógia s Fourierovou transformáciou, v priestore smerov a polôh. Klasický spektrometer založený na difrakčnej mriežke využíva tento efekt na prevod informácií o vlnovej dĺžke svetla do polôh, čo nám umožňuje rozlišovať medzi spektrálnymi čiarami.
časová a frekvenčná šošovka
Podobne ako sklenené šošovky, časové a frekvenčné šošovky umožňujú previesť trvanie impulzu na jeho spektrálnu distribúciu alebo efektívne vykonávať Fourierovu transformáciu v časovom a frekvenčnom priestore. Správny výber mohutností takýchto šošoviek umožňuje vykonávať frakčné Fourierove transformácie. V prípade optických impulzov pôsobenie časových a frekvenčných šošoviek zodpovedá aplikácii kvadratúrnych krokov na signál.
Na spracovanie signálu výskumníci použili kvantovú pamäť založenú na oblaku atómov rubídia držanom v magneto-optickej pasci – alebo presnejšie, pamäti vybavenej schopnosťami spracovania kvantového svetla. Atómy boli ochladené na teploty o milióny stupňov vyššie absolútna nula, Pamäť bola umiestnená v meniacom sa magnetickom poli, čo umožnilo ukladať komponenty rôznych frekvencií v rôznych častiach cloudu. Pulz bol vystavený časovej šošovke pri písaní a čítaní a frekvenčná šošovka na ňu pôsobila pri skladovaní.
Vybavenie vyvinuté v UW umožňuje implementáciu takýchto šošoviek v širokom rozsahu parametrov a programovateľným spôsobom. Dvojitý pulz je veľmi náchylný na disonanciu, preto je často porovnávaný so slávnou Schrödingerovou mačkou – hrubou superpozíciou mŕtvych a živých, čo je experimentálne takmer nemožné dosiahnuť. Napriek tomu bol tím schopný zaviesť vernú prevádzku na týchto jemných stavoch s dvojitým impulzom.
Táto publikácia bola výsledkom práce v Laboratóriu kvantových optických zariadení a Laboratóriu kvantovej pamäte v Centre „Quantum Optical Technologies“ za účasti dvoch magisterských študentov: Stanisława Kurzynu a Marcina Jastrzebského, dvoch postgraduálnych študentov Bartosza Niewelta a Jana Nowosielskeho, Dr. Mateusz Mazzelanik a vedúci laboratória Dr.Michael Parniak a Prof. Wojciech Wasilewski. Za opísané výsledky bol Bartosz Nivelt ocenený aj prezentačným grantom počas nedávnej konferencie DAMOP v Spokane, WA.
Pred priamou aplikáciou v telekomunikáciách musí byť metóda najprv zmapovaná na iné vlnové dĺžky a rozsahy parametrov. Frakčná Fourierova transformácia sa však môže ukázať ako dôležitá pre optické prijímače v najmodernejších sieťach, vrátane optických satelitných spojení. Kvantový svetelný procesor vyvinutý v UW umožňuje nájsť a otestovať takéto nové protokoly efektívnym spôsobom.
Odkaz: „Experimentálna implementácia optickej frakčnej Fourierovej transformácie v časovo-frekvenčnej doméne“ od Bartosza Niewelta, Marcina Jastrzebského, Stanisława Kurzynu, Jana Nowosielskeho, Wojciecha Wasilewského, Mateusza Mazelanika a Michaela Parniaka, 12. júna 2023, fyzický recenzný papier,
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240801
Projekt „Quantum Optical Technologies“ (MAB/2018/4) sa realizuje v rámci programu International Research Agenda Nadácie pre poľskú vedu, spolufinancovaného Európskou úniou v rámci Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
