Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια πρωτοποριακή μέθοδο για την εκτέλεση κλασματικού μετασχηματισμού Fourier οπτικών παλμών χρησιμοποιώντας κβαντική μνήμη. Αυτό το μοναδικό επίτευγμα περιλάμβανε την εκτέλεση του μετασχηματισμού στην κατάσταση της «γάτας του Σρέντινγκερ», η οποία έχει πιθανές εφαρμογές στις επικοινωνίες και τη φασματοσκοπία.
Ερευνητές από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας, σε συνεργασία με ειδικούς από το QOT Center for Quantum Optical Technologies, δημιούργησαν μια καινοτόμο τεχνολογία που επιτρέπει την εκτέλεση κλασματικού μετασχηματισμού Fourier οπτικών παλμών χρησιμοποιώντας κβαντική μνήμη.
Αυτό το επίτευγμα είναι μοναδικό σε παγκόσμιο επίπεδο, καθώς η ομάδα ήταν η πρώτη που παρουσίασε μια πειραματική εφαρμογή του προαναφερθέντος μετασχηματισμού σε αυτό το είδος συστήματος. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο έγκριτο περιοδικό Επιστολές φυσικής ανασκόπησης. Στην εργασία τους, οι μαθητές δοκίμασαν την υλοποίηση ενός κλασματικού μετασχηματισμού Fourier χρησιμοποιώντας έναν διπλό οπτικό παλμό, γνωστό και ως συνθήκη «Η γάτα του Schrödinger».
Φάσμα παλμών και κατανομή χρόνου
Τα κύματα, όπως και το φως, έχουν τις δικές τους χαρακτηριστικές ιδιότητες – τη διάρκεια του παλμού και τη συχνότητά του (που αντιστοιχεί, στην περίπτωση του φωτός, στο χρώμα του). Αποδεικνύεται ότι αυτές οι ιδιότητες σχετίζονται μεταξύ τους μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται μετασχηματισμός Fourier, ο οποίος καθιστά δυνατή τη μετάβαση από την περιγραφή ενός κύματος στο χρόνο στην περιγραφή του φάσματος του σε συχνότητες.
Ο κλασματικός μετασχηματισμός Fourier είναι μια γενίκευση του μετασχηματισμού Fourier που επιτρέπει μια μερική μετάβαση από μια περιγραφή ενός κύματος στο χρόνο σε μια περιγραφή στη συχνότητα. Διαισθητικά, μπορεί να γίνει κατανοητό ως μια περιστροφή μιας κατανομής (π.χ., συνάρτηση τοροειδούς χρόνου Wigner) του μελετημένου σήματος σε μια δεδομένη γωνία στον τομέα χρόνου-συχνότητας.
Οι μαθητές στο εργαστήριο επιδεικνύουν την περιστροφή των καταστάσεων της γάτας του Schrödinger. Δεν τραυματίστηκαν πραγματικές γάτες κατά τη διάρκεια του έργου. Πηγές. Κορζίνα και Β. Neault, Πανεπιστήμιο της Βαρσοβίας
Οι μετασχηματισμοί αυτού του είδους αποδεικνύονται εξαιρετικά χρήσιμοι στο σχεδιασμό ειδικών φασματικών και χρονικών φίλτρων για την εξάλειψη του θορύβου και τη δημιουργία αλγορίθμων που καθιστούν δυνατή τη χρήση της κβαντικής φύσης του φωτός για τη διάκριση παλμών διαφορετικών συχνοτήτων με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι με τις συμβατικές μεθόδους. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στη φασματοσκοπία, η οποία βοηθά στη μελέτη των χημικών ιδιοτήτων της ύλης, και στις τηλεπικοινωνίες, που απαιτεί μετάδοση και επεξεργασία πληροφοριών με υψηλή ακρίβεια και ταχύτητα.
Φακοί και μετασχηματισμός Fourier;
Ένας συνηθισμένος γυάλινος φακός είναι σε θέση να εστιάσει μια δέσμη μονοχρωματικού φωτός που πέφτει πάνω του σε περίπου ένα μόνο σημείο (εστίαση). Η αλλαγή της γωνίας του φωτός που πέφτει στον φακό αλλάζει τη θέση εστίασης. Αυτό μας επιτρέπει να μετατρέψουμε τις γωνίες πρόσπτωσης σε θέσεις, λαμβάνοντας μια αναλογία μετασχηματισμού Fourier, στο χώρο των κατευθύνσεων και των θέσεων. Οι κλασικοί φασματογράφοι με βάση το πλέγμα περίθλασης χρησιμοποιούν αυτό το φαινόμενο για να μετατρέψουν τις πληροφορίες μήκους κύματος του φωτός σε θέσεις, επιτρέποντάς μας να διακρίνουμε μεταξύ φασματικών γραμμών.
Φακοί χρόνου και συχνότητας
Παρόμοια με έναν γυάλινο φακό, οι φακοί χρονικής συχνότητας επιτρέπουν τη μετατροπή της διάρκειας του παλμού στη φασματική του κατανομή ή, αποτελεσματικά, την εκτέλεση ενός μετασχηματισμού Fourier στον χωροχρόνο συχνότητας. Η σωστή επιλογή των δυνάμεων αυτών των φακών καθιστά δυνατή την εκτέλεση ενός κλασματικού μετασχηματισμού Fourier. Στην περίπτωση των οπτικών παλμών, η δράση των φακών χρόνου και συχνότητας αντιστοιχεί στην εφαρμογή τετραγωνικών φάσεων στο σήμα.
Για την επεξεργασία του σήματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια κβαντική μνήμη – ή πιο συγκεκριμένα μια μνήμη εξοπλισμένη με δυνατότητες επεξεργασίας κβαντικού φωτός – βασισμένη σε ένα σύννεφο ατόμων ρουβιδίου που τοποθετούνται σε μια μαγνητο-οπτική παγίδα. Τα άτομα ψύχθηκαν σε θερμοκρασία δεκάδων εκατομμυρίων βαθμών παραπάνω Απόλυτο μηδενικό. Η μνήμη τοποθετείται σε ένα μεταβλητό μαγνητικό πεδίο, επιτρέποντας την αποθήκευση στοιχείων διαφορετικών συχνοτήτων σε διαφορετικά μέρη του νέφους. Ο παλμός υποβλήθηκε σε φακό χρόνου κατά τη διάρκεια της γραφής και της ανάγνωσης και σε έναν φακό συχνότητας κατά την αποθήκευση.
Η συσκευή που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν επιτρέπει την εφαρμογή τέτοιων φακών σε ένα πολύ ευρύ φάσμα παραμέτρων και με προγραμματιζόμενο τρόπο. Ο διπλός παλμός είναι πολύ ευάλωτος στην αποσυνοχή, και έτσι συχνά συγκρίνεται με τη διάσημη γάτα του Σρέντινγκερ – μια μικροσκοπική υπέρθεση ζωντανού και νεκρού, σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί πειραματικά. Ωστόσο, η ομάδα μπόρεσε να εκτελέσει ακριβείς επεμβάσεις σε αυτές τις εύθραυστες θήκες διπλού παλμού.
Η δημοσίευση ήταν αποτέλεσμα εργασιών στο Εργαστήριο Κβαντικών Οπτικών Συσκευών και στο Εργαστήριο Κβαντικής Μνήμης στο Κέντρο «Κβαντικών Οπτικών Τεχνολογιών» με τη συμμετοχή δύο μεταπτυχιακών φοιτητών: Stanislaw Korzina και Marcin Yastrzebski, δύο προπτυχιακών φοιτητών Bartosz Neault και Jan Novosielski και ο Dr. Mateusz Maslanyk, και οι επικεφαλής του εργαστηρίου, Dr. Michal Barniak και καθηγητής Wojciech Wasilewski. Για τα αποτελέσματα που περιγράφηκαν, ο Bartosz Neault έλαβε επίσης ένα βραβείο παρουσίασης επιχορήγησης κατά τη διάρκεια του πρόσφατου συνεδρίου DAMOP στο Spokane της Ουάσιγκτον.
Πριν από την άμεση εφαρμογή στις επικοινωνίες, η μέθοδος πρέπει πρώτα να αντιστοιχιστεί σε άλλα μήκη κύματος και εύρη παραμέτρων. Ωστόσο, ο κλασματικός μετασχηματισμός Fourier μπορεί να είναι κρίσιμος για τους οπτικούς δέκτες στα σύγχρονα δίκτυα, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών δορυφορικών συνδέσεων. Ένας επεξεργαστής κβαντικού φωτός που αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν καθιστά δυνατή την εύρεση τέτοιων νέων πρωτοκόλλων και τη δοκιμή τους με αποτελεσματικό τρόπο.
Παραπομπές: «Πειραματική υλοποίηση οπτικού κλασματικού μετασχηματισμού Fourier στον τομέα χρόνου-συχνότητας» από τους Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic και Michal Barniak, 12 Ιουνίου, Επιστολές φυσικής ανασκόπησης.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801
Το έργο «Quantum Optical Technologies» (MAB/2018/4) υλοποιείται στο πλαίσιο του προγράμματος International Research Agendas του Πολωνικού Επιστημονικού Ιδρύματος και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού Ταμείου Περιφερειακής Ανάπτυξης.
“Τηλεοπτικός γκουρού. Υποστηρικτής της ζόμπι. Οπαδός του διαδικτύου. Πιστοποιημένος μπύρας. Υπερήφανος αναγνώστης. Φανταστικός αλκοόλ. Βραβευμένος επιχειρηματίας.”