Natuurkundigen zetten de kat van Schrödinger op zijn kop

Onderzoekers hebben een baanbrekende methode ontwikkeld voor het uitvoeren van een gedeeltelijke Fourier-transformatie van optische pulsen met behulp van kwantumgeheugen. Deze unieke prestatie omvatte de implementatie van een transformatie in de toestand van de “Schrödinger’s kat”, die potentiële toepassingen heeft in communicatie en spectroscopie.

Onderzoekers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau hebben, in samenwerking met experts van het QOT Center for Quantum Optical Technologies, een innovatieve techniek ontwikkeld waarmee een gedeeltelijke Fourier-transformatie van lichtpulsen kan worden uitgevoerd met behulp van kwantumgeheugen.

Deze prestatie is uniek op wereldschaal, aangezien het team de eerste was die een experimentele toepassing van genoemde transformatie in dit type systeem leverde. De resultaten van het onderzoek werden gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven. In hun werk testten de studenten de implementatie van de gedeeltelijke Fourier-transformatie met behulp van een dubbele optische puls, ook wel bekend als de ‘Schrödinger’s cat’-toestand.

Pulsspectrum en tijdverdeling

Golven hebben, net als licht, hun eigen bepalende kenmerken: de duur van de puls en de frequentie ervan (die, in het geval van licht, overeenkomt met de kleur ervan). Het blijkt dat deze eigenschappen met elkaar verband houden via een proces dat de Fourier-transformatie wordt genoemd en dat het mogelijk maakt om over te schakelen van het beschrijven van een golf in de tijd naar het beschrijven van het spectrum ervan in frequenties.

De fractionele Fourier-transformatie is een generalisatie van de Fourier-transformatie die een gedeeltelijke overgang mogelijk maakt van het beschrijven van een golf in de tijd naar het beschrijven in frequentie. Intuïtief kan het worden opgevat als de rotatie van een verdeling (bijvoorbeeld de tijdcyclische Wigner-functie) van het bestudeerde signaal over een gegeven hoek in het tijdfrequentiedomein.

Studenten in het laboratorium laten de rotatie van de kattentoestanden van Schrödinger zien. Tijdens het project raakten geen echte katten gewond. Bron: S. Korzina en B. Neut, Universiteit van Warschau

Dit soort transformaties zijn uitzonderlijk nuttig gebleken bij het ontwerpen van speciale spectrale en temporele filters om ruis te elimineren en de creatie van algoritmen mogelijk te maken die het mogelijk maken om de kwantumaard van licht te gebruiken om pulsen van verschillende frequenties nauwkeuriger te onderscheiden dan met conventionele methoden. . Dit is vooral belangrijk bij de spectroscopie, die helpt bij het bestuderen van de chemische eigenschappen van materie, en bij de telecommunicatie, die de overdracht en verwerking van informatie met hoge nauwkeurigheid en snelheid vereist.

lenzen en Fourier-transformatie?

Een gewone glazen lens kan een straal monochromatisch licht die erop valt, tot bijna één punt focusseren (focus). Het veranderen van de hoek waarin het licht op de lens valt, verandert de focuspositie. Dit stelt ons in staat de invalshoeken om te zetten in posities, waardoor een analogie met Fourier-transformatie wordt verkregen in de richtingen en positiesruimte. Een klassieke diffractieroosterspectrometer gebruikt dit effect om de golflengte-informatie van licht om te zetten in locaties, waardoor we onderscheid kunnen maken tussen spectraallijnen.

Lenzen van tijd en frequentie

Net als bij een glazen lens maken tijdfrequentielenzen het mogelijk dat de pulsduur wordt omgezet in de spectrale verdeling ervan, of effectief, om een ​​Fourier-transformatie uit te voeren in de ruimtefrequentietijd. De juiste selectie van de krachten van deze lenzen maakt het mogelijk een fractionele Fourier-transformatie uit te voeren. In het geval van optische pulsen komt de werking van tijdfrequentielensing overeen met de toepassing van kwadratische fasen op het signaal.

Om het signaal te verwerken, gebruikten de onderzoekers een kwantumgeheugen – of beter gezegd een geheugen uitgerust met kwantumlichtverwerkingsmogelijkheden – gebaseerd op een wolk van rubidiumatomen die in een magneto-optische val waren geplaatst. De atomen werden afgekoeld tot een temperatuur van tientallen miljoenen graden daarboven Absolute nulpunt. Het geheugen wordt in een veranderend magnetisch veld geplaatst, waardoor componenten met verschillende frequenties in verschillende delen van de cloud kunnen worden opgeslagen. De puls werd tijdens het schrijven en lezen onderworpen aan een tijdlens, en tijdens opslag aan een frequentielens.

Het aan de Universiteit van Wisconsin ontwikkelde apparaat maakt het mogelijk dergelijke lenzen te implementeren over een zeer breed scala aan parameters en op een programmeerbare manier. De dubbele puls is zeer gevoelig voor decoherentie en wordt daarom vaak vergeleken met de beroemde kat van Schrödinger: een microscopische superpositie van je dode en levende universum, wat experimenteel bijna onmogelijk te bereiken is. Het team was echter in staat nauwkeurige operaties uit te voeren op deze kwetsbare dubbelpulsgevallen.

De publicatie was het resultaat van werk in het Quantum Optical Devices Laboratory en het Quantum Memory Laboratory van het Center for Quantum Optical Technologies met deelname van twee masterstudenten: Stanislav Korzyna en Marcin Jastrzebski, twee studenten Bartosz Neult en Jan Novosielski, en Dr. Mateusz Mazlanek, en de hoofden van het laboratorium, Dr. Michal Barniak en professor Wojciech Vasilevski. Voor de beschreven resultaten ontving Bartosz Neolt tijdens de recente DAMOP-conferentie in Spokane, Washington ook een Presentation Grant.

Voordat de methode rechtstreeks in de communicatie kan worden toegepast, moet deze eerst worden toegewezen aan golflengten en andere parameterbereiken. De gedeeltelijke Fourier-transformatie kan echter van cruciaal belang zijn voor optische ontvangers in moderne netwerken, inclusief optische satellietverbindingen. Een kwantumlichtprocessor ontwikkeld aan de Universiteit van Wisconsin maakt het mogelijk om dergelijke nieuwe protocollen op een efficiënte manier te vinden en te testen.

Referenties: “Experimentele implementatie van de optische fractionele Fourier-transformatie in het tijdfrequentiedomein” door Bartosz Neuulte, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novosilski, Wojciech Vasilewski, Mateusz Mazelanek en Michal Barniak, 12 juni 2023, hier beschikbaar. Fysieke beoordelingsbrieven.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Het project “Quantum Optical Technologies” (MAB/2018/4) wordt geïmplementeerd binnen het International Research Agendas Program van de Polish Science Foundation en medegefinancierd door de Europese Unie in het kader van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling.