Vedci z Fyzikálnej fakulty Varšavskej univerzity v spolupráci s odborníkmi z QOT Center for Quantum Optical Technologies vytvorili inovatívnu techniku, ktorá umožňuje vykonať čiastočnú Fourierovu transformáciu svetelných impulzov pomocou kvantovej pamäte.

Tento úspech je jedinečný v celosvetovom meradle, keďže tím bol prvý, kto poskytol experimentálnu aplikáciu uvedenej transformácie v tomto type systému. Výsledky výskumu zverejnil prestížny časopis Fyzické kontrolné listy. Študenti vo svojej práci vyskúšali implementáciu parciálnej Fourierovej transformácie pomocou dvojitého optického impulzu, známeho aj ako podmienka „Schrödingerova mačka“.

Spektrum impulzov a rozdelenie času

Vlny, podobne ako svetlo, majú svoje vlastné definujúce charakteristiky – trvanie impulzu a jeho frekvenciu (v prípade svetla zodpovedajúcu jeho farbe). Ukazuje sa, že tieto vlastnosti spolu súvisia prostredníctvom procesu nazývaného Fourierova transformácia, ktorý umožňuje prejsť od opisu vlny v čase k opisu jej spektra vo frekvenciách.

Frakčná Fourierova transformácia je zovšeobecnením Fourierovej transformácie, ktorá umožňuje čiastočný prechod od opisu vlny v čase k opisu vo frekvencii. Intuitívne to možno chápať ako rotáciu distribúcie (napríklad časovo cyklickej Wignerovej funkcie) študovaného signálu o daný uhol v časovo-frekvenčnej oblasti.

Študenti v laboratóriu zobrazujú rotáciu Schrödingerových stavov mačiek. Počas projektu neboli zranené žiadne skutočné mačky. Zdroj: S. Korzina a B. Neult, Varšavská univerzita

Transformácie tohto druhu sa ukazujú ako mimoriadne užitočné pri navrhovaní špeciálnych spektrálnych a časových filtrov na elimináciu šumu a umožňujúce vytváranie algoritmov, ktoré umožňujú využiť kvantovú povahu svetla na presnejšie rozlíšenie impulzov rôznych frekvencií ako pri konvenčných metódach. 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.

šošovky a Fourierova transformácia?

Bežná sklenená šošovka je schopná zaostriť lúč monochromatického svetla, ktorý na ňu dopadá, takmer do jedného bodu (zaostrenia). Zmenou uhla dopadu svetla na šošovku sa zmení poloha zaostrenia. To nám umožňuje previesť uhly dopadu na polohy, čím sa získa analógia Fourierovej transformácie v smeroch a polohách. Klasické spektrografy založené na difrakčnej mriežke využívajú tento efekt na konverziu informácií o vlnovej dĺžke svetla do polôh, čo nám umožňuje rozlišovať medzi spektrálnymi čiarami.

Šošovky času a frekvencie

Podobne ako sklenená šošovka, časovo-frekvenčné šošovky umožňujú transformovať trvanie impulzu na jeho spektrálnu distribúciu alebo efektívne vykonať Fourierovu transformáciu v priestorovo-frekvenčnom čase. Správny výber mohutností týchto šošoviek umožňuje vykonať frakčnú Fourierovu transformáciu. V prípade optických impulzov pôsobeniu časovo-frekvenčnej šošovky zodpovedá aplikácia kvadratických fáz na signál.

Na spracovanie signálu výskumníci použili kvantovú pamäť – alebo presnejšie pamäť vybavenú schopnosťami spracovania kvantového svetla – založenú na oblaku atómov rubídia umiestnených v magnetooptickej pasci. Atómy boli ochladené na teplotu o desiatky miliónov stupňov vyššiu Absolútna nula. Pamäť je umiestnená v premenlivom magnetickom poli, čo umožňuje uloženie komponentov rôznych frekvencií v rôznych častiach cloudu. Pulz bol vystavený časovej šošovke počas písania a čítania a frekvenčnej šošovke počas skladovania.

Zariadenie vyvinuté na University of Wisconsin umožňuje implementáciu takýchto šošoviek vo veľmi širokom rozsahu parametrov a programovateľným spôsobom. Dvojitý pulz je veľmi citlivý na dekoherenciu, a preto sa často porovnáva so slávnou Schrödingerovou mačkou – mikroskopickou superpozíciou života a smrti, ktorú je takmer nemožné dosiahnuť experimentálne. Tím však dokázal na týchto krehkých puzdrách s dvojitým impulzom vykonávať presné operácie.

Publikácia bola výsledkom práce v Laboratóriu kvantových optických zariadení a Laboratóriu kvantovej pamäte v Centre pre „kvantové optické technológie“ za účasti dvoch magisterských študentov: Stanislawa Korzinu a Marcina Yastrzebského, dvoch vysokoškolských študentov Bartosza Neaulta a Jana Novosielski a Dr. Mateusz Maslanyk a vedúci laboratória Dr. Michal Barniak a profesor Wojciech Wasilewski. Za opísané výsledky získal Bartosz Neault aj ocenenie za prezentáciu grantu počas nedávnej konferencie DAMOP v Spokane vo Washingtone.

Pred priamou aplikáciou v komunikácii musí byť metóda najprv zmapovaná na iné vlnové dĺžky a rozsahy parametrov. Frakčná Fourierova transformácia však môže byť rozhodujúca pre optické prijímače v moderných sieťach, vrátane optických satelitných spojení. Kvantový svetelný procesor vyvinutý na University of Wisconsin umožňuje nájsť takéto nové protokoly a efektívne ich otestovať.

Referencie: „Experimentálna implementácia optickej frakčnej Fourierovej transformácie v časovo-frekvenčnej doméne“ od Bartosza Neaulta, Marcina Jastrzebského, Stanisława Korzynu, Jana Novoselského, Wojciecha Vasilevského, Mateusza Mazilanica a Michala Barniaka, 12. júna 2023, Fyzické kontrolné listy.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Projekt “Quantum Optical Technologies” (MAB/2018/4) sa realizuje v rámci programu International Research Agendas Programu Poľskej nadácie pre vedu a je spolufinancovaný Európskou úniou v rámci Európskeho fondu regionálneho rozvoja.