Дослідники розробили новаторський метод виконання дробового перетворення Фур’є оптичних імпульсів за допомогою квантової пам’яті. Це унікальне досягнення передбачало виконання перетворення стану “кота Шредінгера”, яке має потенційне застосування в комунікації та спектроскопії.
Дослідники з факультету фізики Варшавського університету у співпраці з експертами Центру квантових оптичних технологій QOT створили інноваційну технологію, яка дозволяє виконувати дробове перетворення Фур’є оптичних імпульсів за допомогою квантової пам’яті.
Це досягнення є унікальним на світовому рівні, оскільки команда першою представила експериментальне застосування вищезгаданої трансформації в системі такого типу. Результати дослідження були опубліковані в престижному журналі Листи про фізичний огляд. У своїй роботі студенти перевірили реалізацію дробового перетворення Фур’є з використанням подвійного оптичного імпульсу, відомого також як умова «кота Шредінгера».
Спектр і часовий розподіл імпульсу
Хвилі, як і світло, мають свої характерні властивості – тривалість імпульсу і його частоту (що відповідає, у випадку світла, його кольору). Виявляється, ці властивості пов’язані одна з одною через процес, званий перетворенням Фур’є, який дає змогу перейти від опису хвилі в часі до опису її спектру в частотах.
Дробове перетворення Фур’є є узагальненням перетворення Фур’є, яке допускає частковий перехід від опису хвилі в часі до опису в частоті. Інтуїтивно це можна зрозуміти як обертання розподілу (наприклад, тороїдної функції часу Вігнера) досліджуваного сигналу на заданий кут у частотно-часовій області.
Учні в лабораторії демонструють обертання станів кота Шредінгера. Жоден справжній кіт під час проекту не постраждав. Джерело: С. Корзіна і Б. Нойт, Варшавський університет
Перетворення такого роду виявляються надзвичайно корисними при розробці спеціальних спектральних і часових фільтрів для усунення шумів і створення алгоритмів, які дозволяють використовувати квантову природу світла для більш точного розрізнення імпульсів різних частот, ніж за допомогою звичайних методів. Це особливо важливо в спектроскопії, яка допомагає вивчати хімічні властивості матерії, і в телекомунікаціях, що вимагає передачі й обробки інформації з високою точністю та швидкістю.
Лінзи та перетворення Фур’є?
Звичайна скляна лінза здатна сфокусувати падаючий на неї пучок монохроматичного світла приблизно в одну точку (фокус). Зміна кута падіння світла на лінзу змінює положення фокуса. Це дозволяє нам перетворювати кути падіння в положення, отримуючи аналогію перетворення Фур’є, у просторі напрямків і положень. Класичні спектрографи на основі дифракційної гратки використовують цей ефект для перетворення інформації про довжину хвилі світла в положення, що дозволяє розрізняти спектральні лінії.
Лінзи часу та частоти
Подібно до скляної лінзи, частотно-часові лінзи дозволяють перетворювати тривалість імпульсу в його спектральний розподіл або, фактично, виконувати перетворення Фур’є в частотному просторі-часі. Правильний вибір сил цих лінз дає можливість виконати дробове перетворення Фур’є. У випадку оптичних імпульсів дія часових і частотних лінз відповідає додатку до сигналу квадратичних фаз.
Для обробки сигналу дослідники використовували квантову пам’ять – або, точніше, пам’ять, оснащену можливостями обробки квантового світла – на основі хмари атомів рубідію, поміщених у магнітооптичну пастку. Атоми були охолоджені до температури на десятки мільйонів градусів вище Абсолютний нуль. Пам’ять поміщається в змінне магнітне поле, що дозволяє зберігати компоненти з різними частотами в різних частинах хмари. Імпульс піддавався часовій лінзі під час запису та читання та частотній лінзі під час зберігання.
Пристрій, розроблений в Університеті Вісконсіна, дозволяє використовувати такі лінзи в дуже широкому діапазоні параметрів і в програмований спосіб. Подвійний імпульс дуже вразливий до декогеренції, і тому його часто порівнюють із знаменитим котом Шредінгера – мікроскопічною суперпозицією живого та мертвого, яку майже неможливо досягти експериментально. Однак команда змогла виконати точні операції на цих крихких випадках подвійного імпульсу.
Публікація стала результатом роботи в Лабораторії квантових оптичних приладів та Лабораторії квантової пам’яті Центру «Квантово-оптичних технологій» за участю двох студентів магістратури: Станіслава Корзіни та Марціна Ястржебського, двох студентів бакалаврату Бартоша Нойта та Яна. Новосільський та д-р. Матеуша Масланика та керівників лабораторії д-ра Міхала Барняка та професора Войцеха Василевського. За описані результати Бартош Нойлт також отримав нагороду за презентацію гранту під час нещодавньої конференції DAMOP у Спокані, штат Вашингтон.
Перед безпосереднім застосуванням у зв’язку метод потрібно спочатку зіставити з іншими довжинами хвиль і діапазонами параметрів. Однак дробове перетворення Фур’є може мати вирішальне значення для оптичних приймачів у сучасних мережах, включаючи оптичні супутникові лінії. Квантовий світловий процесор, розроблений в Університеті Вісконсіна, дає змогу знаходити такі нові протоколи та ефективно їх тестувати.
Література: «Експериментальна реалізація оптичного дробового перетворення Фур’є в частотно-часовій області» Бартоша Нео, Марціна Ястржебського, Станіслава Коржини, Яна Новосельського, Войцеха Василевського, Матеуша Мазіланіка та Міхала Барняка, 12 червня 2023 р. Листи про фізичний огляд.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801
Проект «Квантово-оптичні технології» (MAB/2018/4) реалізується в рамках Програми міжнародних досліджень Польської наукової фундації та співфінансується Європейським Союзом у рамках Європейського фонду регіонального розвитку.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
