Onderzoekers van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Warschau hebben, in samenwerking met experts van het QOT Center for Quantum Optical Technology, een pioniersrol gespeeld in een innovatieve technologie die de fractionele Fourier-transformatie van lichtpulsen mogelijk maakt met behulp van kwantumgeheugen. Deze prestatie is wereldwijd uniek, aangezien het team de eerste is die de bovenstaande transformatie experimenteel in een dergelijk systeem heeft gerealiseerd.
De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het bekende tijdschrift Physical Review Letters. In hun werk testten de studenten implementaties van fractionele Fourier-transformaties met behulp van dubbele lichtpulsen, ook wel bekend als de "Schrödinger's kat".
Een golf (zoals licht) heeft zijn eigen eigenschappen: pulsduur en frequentie (in het geval van licht, overeenkomend met de kleur ervan). Het blijkt dat deze eigenschappen met elkaar verband houden via een operatie die de Fourier-transformatie wordt genoemd en die overschakelt van het beschrijven van de golf in termen van tijd naar het beschrijven van het golfspectrum in termen van frequentie.
De fractionele Fourier-transformatie is een generalisatie van de Fourier-transformatie die de overgang mogelijk maakt van het beschrijven van het tijdsgedeelte van een golf naar het beschrijven van de frequentie van de golf. Intuïtief kan dit worden opgevat als het roteren van de verdeling van het signaal in kwestie (bijvoorbeeld de tijdperiodieke Wigner-functie) over een bepaalde hoek in het tijdfrequentiedomein.
Dit type transformatie is zeer nuttig gebleken bij het ontwerpen van speciale spectraal-temporele filters die niet alleen ruis verwijderen, maar ook algoritmen creëren die de kwantumeigenschappen van licht benutten om pulsen met verschillende frequenties nauwkeuriger te onderscheiden dan traditionele methoden. Dit is met name van belang op het gebied van de spectroscopie, die helpt bij het bestuderen van de chemische eigenschappen van stoffen, en op het gebied van de telecommunicatie, waarvoor uiterst nauwkeurige, snelle overdracht en verwerking van informatie vereist is.
Een gewone glazen lens is in staat een monochromatische lichtbundel die erop valt tot bijna een punt (brandpunt) te focusseren. Als u de invalshoek van het licht op de lens verandert, verandert de positie van de focus. Dit zet de invalshoek om in positie, waardoor vergelijkbare Fourier-transformaties in richting en positieruimte worden verkregen. Klassieke spectrometers op basis van diffractieroosters maken gebruik van dit effect om golflengte-informatie van licht om te zetten in positionele informatie, waardoor we spectraallijnen kunnen onderscheiden.
Net als glazen lenzen kunnen tijd- en frequentielenzen ook de duur van een puls omzetten in een spectrale verdeling, of effectief een Fourier-transformatie uitvoeren in tijd- en frequentieruimte. Door de sterkte van deze lens correct te kiezen, kan een fractionele Fourier-transformatie worden uitgevoerd. In het geval van lichtpulsen fungeren tijd- en frequentielenzen als een secundaire fasetransformatie van het signaal.
Om de signalen te verwerken, gebruikten de onderzoekers een kwantumgeheugen – of preciezer gezegd, een geheugen met kwantumlichtverwerkingsmogelijkheden – gebaseerd op een klomp rubidiumatomen die in een magneto-optische val waren geplaatst. Atomen worden afgekoeld tot een bepaalde temperatuur. Het geheugen wordt in een veranderend magnetisch veld geplaatst, waardoor componenten met verschillende frequenties in verschillende delen van de atoomwolk kunnen worden opgeslagen. Pulsen zijn onderhevig aan tijdlensing tijdens het schrijven en lezen en frequentielensing tijdens opslag.
Het aan de Universiteit van Washington ontwikkelde apparaat kan een dergelijke lens programmeerbaar implementeren over een zeer breed scala aan parameters. De dubbele puls is zo gevoelig voor decoherentie dat hij vaak wordt vergeleken met de beroemde kat van Schrödinger - een macroscopische superpositie die uit de dood terugkeert en experimenteel bijna onmogelijk te bereiken is. Niettemin was het team in staat om deze fragiele dubbelpulstoestanden getrouw te manipuleren.
Dit artikel is het resultaat van het werk van het Quantum Optical Devices Laboratory en het Quantum Memory Laboratory van het "Quantum Optical Technology" Center. Twee masterstudenten namen deel aan dit werk: Stanislaw Kurzyna en Marcin Jastrzebski, twee studenten Bartosz Niewelt en Jan Nowosielski, Dr. Mateusz Mazelanik, en de laboratoriumleiders Dr. Michal Parniak en Professor Wojciech Wasilewski namen deel aan dit werk. Vanwege deze prestaties ontving BartoszNiewelt ook een prijs voor een spreekbeurs op de recente DAMOP-conferentie in Spokane, Washington.
De methode moet eerst worden toegewezen aan andere golflengten en parameterbereiken voordat deze rechtstreeks toepasbaar is op het telecommunicatieveld. De fractionele Fourier-transformatie is echter cruciaal voor optische ontvangers in ultramoderne netwerken, inclusief optische satellietverbindingen. Een kwantumlichtprocessor ontwikkeld aan de Universiteit van Washington kan dit nieuwe protocol efficiënt vinden en testen.