Los investigadores han desarrollado un método innovador para realizar la transformada fraccionada de Fourier de pulsos ópticos utilizando memoria cuántica. Este logro único implicó implementar la transformación a un estado de “gato de Schrödinger”, con posibles aplicaciones en telecomunicaciones y espectroscopia.
Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, en colaboración con expertos del Centro QOT de Tecnologías Ópticas Cuánticas, han sido pioneros en una técnica innovadora que permite realizar la transformada fraccionada de Fourier de pulsos ópticos utilizando memoria cuántica.
Este logro es único a escala global, ya que el equipo fue el primero en presentar una implementación experimental de la transformación antes mencionada en este tipo de sistema. Los resultados de la investigación fueron publicados en la prestigiosa revista. Cartas de revisión física. En su trabajo, los estudiantes probaron la implementación de la transformada fraccionada de Fourier utilizando un pulso óptico doble, también conocido como estado del “gato de Schrödinger”.
El espectro del pulso y la distribución temporal.
Las ondas, al igual que la luz, tienen sus propias propiedades características: duración y frecuencia del pulso (correspondiente, en el caso de la luz, a su color). Resulta que estas características están relacionadas entre sí a través de una operación llamada Transformada de Fourier, que nos permite pasar de describir una onda en el tiempo a describir su espectro en frecuencias.
La Transformada fraccionaria de Fourier es una generalización de la Transformada de Fourier que permite una transición parcial de una descripción de una onda en el tiempo a una descripción en frecuencia. Intuitivamente, puede entenderse como una rotación de una distribución (por ejemplo, la función cronocíclica de Wigner) de la señal considerada en un ángulo determinado en el dominio tiempo-frecuencia.
Estudiantes en el laboratorio presentando la rotación de los estados del gato de Schrödinger. Ningún gato real resultó herido durante el proyecto. Crédito: S. Kurzyna y B. Niewelt, Universidad de Varsovia
Resulta que transformaciones de este tipo son excepcionalmente útiles en el diseño de filtros espectral-temporales especiales para eliminar el ruido y permitir la creación de algoritmos que permitan utilizar la naturaleza cuántica de la luz para distinguir pulsos de diferentes frecuencias con mayor precisión que los tradicionales. unos. métodos. Esto es especialmente importante en espectroscopia, que ayuda a estudiar las propiedades químicas de la materia, y en telecomunicaciones, que requiere la transmisión y procesamiento de información con alta precisión y velocidad.
¿Lentes y la transformada de Fourier?
Una lente de vidrio común es capaz de enfocar un haz de luz monocromático que incide sobre ella en casi un solo punto (foco). Cambiar el ángulo de incidencia de la luz sobre la lente da como resultado un cambio en la posición de enfoque. Esto permite convertir ángulos de incidencia en posiciones, obteniendo la analogía de la Transformada de Fourier, en el espacio de direcciones y posiciones. Un espectrómetro clásico basado en una rejilla de difracción utiliza este efecto para convertir la información de la longitud de onda de la luz en posiciones, lo que nos permite distinguir entre líneas espectrales.
Lentes de tiempo y frecuencia.
Al igual que las lentes de vidrio, las lentes de tiempo y frecuencia permiten la conversión de la duración de un pulso a su distribución espectral, o realizan efectivamente una transformada de Fourier en el espacio de tiempo y frecuencia. La selección correcta de potencias de dichas lentes permite realizar una transformada de Fourier fraccionada. En el caso de los pulsos ópticos, la acción de las lentes de tiempo y frecuencia corresponde a la aplicación de fases cuadráticas a la señal.
Para procesar la señal, los investigadores utilizaron una memoria cuántica, o más precisamente una memoria equipada con capacidades de procesamiento cuántico de luz, basada en una nube de átomos de rubidio colocados en una trampa magnetoóptica. Los átomos se enfriaron a una temperatura de decenas de millones de grados por encima cero absoluto. La memoria se colocó en un campo magnético cambiante, lo que permitió almacenar componentes de diferentes frecuencias en diferentes partes de la nube. La muñeca estaba sometida a una lente de tiempo durante la escritura y la lectura, y una lente de frecuencia actuaba sobre ella durante el almacenamiento.
El dispositivo desarrollado en la Universidad de Washington permite la implementación de dichas lentes en una amplia gama de parámetros y de forma programable. Un pulso doble es muy propenso a la decoherencia, por lo que a menudo se lo compara con el famoso gato de Schrödinger: una superposición macroscópica de estar vivo y muerto, casi imposible de lograr experimentalmente. Aún así, el equipo logró implementar operaciones fieles en estos frágiles estados de doble pulso.
La publicación fue el resultado del trabajo en el Laboratorio de dispositivos ópticos cuánticos y el Laboratorio de memoria cuántica del centro “Tecnologías ópticas cuánticas” con la participación de dos estudiantes de maestría: Stanislaw Kurzyna y Marcin Jastrzebski, dos estudiantes universitarios Bartosz Niewelt y Jan Nowosielski, el Dr. Mateusz Mazelanik y los jefes de laboratorio Dr. Michal Parniak y Prof. Por los resultados descritos, Bartosz Niewelt también recibió una beca de presentación durante la reciente conferencia DAMOP en Spokane, WA.
Antes de su aplicación directa en telecomunicaciones, el método primero debe asignarse a otras longitudes de onda y rangos de parámetros. Sin embargo, la transformada fraccionaria de Fourier puede ser crucial para los receptores ópticos en redes de próxima generación, incluidos los enlaces ópticos por satélite. Un procesador de luz cuántica desarrollado en la Universidad de Washington permite encontrar y probar estos nuevos protocolos de manera eficiente.
Referencias: “Implementación experimental de la transformada óptica fraccionada de Fourier en el dominio tiempo-frecuencia” por Bartosz Niewelt, Marcin Jastrzębski, Stanisław Kurzyna, Jan Nowosielski, Wojciech Wasilewski, Mateusz Mazelanik y Michał Parniak, 12 de junio de 2023, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240801
El proyecto “Tecnologías ópticas cuánticas” (MAB/2018/4) se lleva a cabo en el marco del programa Agendas Internacionales de Investigación de la Fundación Polaca para la Ciencia, cofinanciado por la Unión Europea en el marco del Fondo Europeo de Desarrollo Regional.
