Студенты физического факультета Варшавского университета и исследователи Центра квантовых оптических технологий (QOT) разработали инновационный метод, позволяющий выполнять дробное преобразование Фурье оптических импульсов с использованием квантовой памяти. Это достижение является уникальным в мировом масштабе, так как команда первой представила экспериментальную реализацию указанного преобразования в системе такого типа.

Волны, например свет, имеют свои характерные свойства — длительность импульса и частоту (соответствующую, в случае света, его цвету). Оказывается, эти характеристики связаны друг с другом через операцию, называемую преобразованием Фурье, позволяющую перейти от описания волны во времени к описанию ее спектра в частотах. Дробное преобразование Фурье является обобщением преобразования Фурье, позволяющим осуществить частичный переход от описания волны во времени к описанию по частоте. Интуитивно его можно понимать как поворот распределения рассматриваемого сигнала на некоторый угол в частотно-временной области.

Оказывается, преобразования такого типа исключительно полезны при разработке специальных спектрально-временных фильтров для устранения шумов и позволяют создавать алгоритмы, позволяющие использовать квантовую природу света для более точного, чем традиционные, различения импульсов разной частоты. методы. Это особенно важно в спектроскопии, помогающей изучать химические свойства вещества, и в телекоммуникациях, требующих передачи и обработки информации с высокой точностью и скоростью.

Студенты в лаборатории демонстрируют чередование состояний кота Шредингера. Во время проекта ни один кот не пострадал

Обычная стеклянная линза способна сфокусировать падающий на нее монохроматический пучок света почти в одну точку (фокус). Изменение угла падения света на линзу приводит к изменению положения фокуса. Это позволяет преобразовать углы падения в положения, получая аналогию с преобразованием Фурье в пространстве направлений и положений. Классический спектрометр, основанный на дифракционной решетке, использует этот эффект для преобразования информации о длине волны света в положения, позволяющие нам различать спектральные линии.

Подобно стеклянной линзе, временные и частотные линзы позволяют преобразовывать длительность импульса в его спектральное распределение или эффективно выполнять преобразование Фурье во временном и частотном пространстве. Правильный подбор оптических сил таких линз позволяет осуществить дробное преобразование Фурье. В случае оптических импульсов действие временной и частотной линз соответствует наложению на сигнал квадратичных фаз.

Для обработки сигнала исследователи использовали такую память, основанную на облаке атомов рубидия в магнитооптической ловушке. Атомы охлаждались до температуры 42 микроК в переменном магнитном поле, что позволило хранить компоненты разных частот в разных частях облака. Устройство позволяет использовать временные и частотные линзы в очень широком диапазоне параметров и программно. Двойной импульс очень склонен к декогеренции, поэтому его часто сравнивают со знаменитым котом Шредингера — макроскопическая суперпозиция жизни и смерти, которую практически невозможно получить экспериментально. И команда смогла реализовать точные операции в этих хрупких двухимпульсных состояниях.

Перед непосредственным применением в телекоммуникациях метод необходимо порверить на других длинах волн и диапазонахтпараметров. Однако дробное преобразование Фурье может оказаться решающим для оптических приемников в современных сетях, включая оптические спутниковые каналы. Разработанный квантовый световой процессор позволяет эффективно находить и тестировать такие новые протоколы.

Ссылка на публикацию в свободном доступе: B.Niewelt et al. Phys. Rev. Let. (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240801