物理学者たちがシュレディンガーの猫をひっくり返した

ワルシャワ大学物理学部の研究者らは、QOT量子光学技術センターの専門家と協力して、量子メモリを使用して光パルスの分数フーリエ変換を実行できる革新的な技術を開拓しました。

この成果は世界中でユニークです。 チームがこのタイプのシステムで前述した変換を実験的に実装した最初のケ​​ースだからです。 研究結果は権威あるジャーナルに掲載された。 実際のレビュー手紙。 生徒は仕事で「シュレディンガーの猫」状態とも呼ばれる二重光パルスを使用して、分数フーリエ変換の実装をテストしました。

パルスのスペクトルと時間分布

光などの波は、パルスの持続時間と周波数（光の場合は色に対応）という独自の特性を持っています。 これらの特性は、フーリエ変換と呼ばれる作業によって互いに関連していることがわかりました。 これにより、波を時間とともに説明することから周波数でスペクトルを記述することに切り替えることができます。

分数フーリエ変換は、時間の経過に伴う波動記述から周波数記述への部分変換を可能にするフーリエ変換の一般化である。 直感的に、これは、時間周波数領域で特定の角度だけ考慮される信号の分布（例えば、クロノサイクルウィグナー関数）が回転することを理解することができる。

シュレディンガー猫の状態の回転を示す実験室の学生。 プロジェクト期間中、実際の猫は怪我をしませんでした。 出典：S. KurzynaとB. Niewelt、ワルシャワ大学

このタイプの変換は、ノイズを排除し、光の量子特性を使用して従来よりも正確にさまざまな周波数のパルスを区別するためのアルゴリズム生成を可能にする特別なスペクトル時間フィルタ設計に非常に有用であることがわかりました。 アクションフォーム。 これは、物質の化学的性質を研究するのに役立つ分光法と、高い精度と速度で情報を送信し処理する必要がある通信において特に重要です。

レンズとフーリエ変換？

通常のガラスレンズは、その上に落ちる単色光線をほぼ単一の点（焦点）に集中させることができます。 レンズに光が入射する角度を変更すると、焦点位置が変わります。 これにより、入射角を位置に変換して、方向と位置の空間におけるフーリエ変換と同様の結果を得ることができる。 回折格子に基づく古典的な分光計は、この効果を使用して光の波長情報を位置に変換してスペクトル線を区別することができます。

時間と周波数レンズ

ガラスレンズと同様に、時間および周波数レンズを使用すると、パルス持続時間をスペクトル分布に変換したり、時間および周波数空間でフーリエ変換を効果的に実行したりできます。 これらのレンズの正しい屈折力の選択により、分数フーリエ変換を実行できます。 光パルスの場合、時間および周波数レンズの作用は、信号に二次位相を印加することと同じです。

信号を処理するために、研究者は磁気光学トラップに配置されたルビジウム原子雲に基づく量子メモリ、より正確には量子光処理機能を備えたメモリを使用しました。 原子は数千万度以上の温度に冷却された。 絶対零度。 メモリは変化する磁場に配置され、異なる周波数のコンポーネントをクラウドの異なる部分に格納することができます。 パルスは書き込みおよび読み出し中に時間レンズに露光され、保存中は周波数レンズが作用した。

UWによって開発されたデバイスを使用すると、非常に広範囲のパラメータに対してプログラム可能な方法でこれらのレンズを実装できます。 二重パルスは、適合が非常に容易に起こるので、しばしば有名なシュレディンガー猫と比較される。 これは死んだものと生きているものの巨視的なネストであり、実験的に達成することはほとんど不可能です。 それにもかかわらず、チームは脆弱なデュアルパルス状態に対して忠実なタスクを実装することができました。

この出版物は、2人の修士学生、Stanislaw KurzynaとMarcin Jastrzebski、2人の学部生、Bartosz NieweltとJan Nowosielski博士が参加し、「量子光学技術」センターの量子光学装置研究所および量子メモリ研究所で行われた作業の結果です。 Mateusz Mazelanik、研究室のディレクターであるMichal Parniak博士とWojciech Wasilewski教授。 説明された結果について、Bartosz Nieweltはワシントン州スポケーンで開催された最近のDAMOP会議でプレゼンテーション補助金を授与されました。

通信に直接適用する前に、まず方法を他の波長とパラメータの範囲にマッピングする必要があります。 しかしながら、分数フーリエ変換は、光衛星リンクを含む最先端のネットワークの光受信機にとって重要であることが証明され得る。 UWによって開発された量子光プロセッサを使用すると、これらの新しいプロトコルを効率的な方法で見つけてテストできます。

参考文献：Bartosz Niewelt、Marcin Jastrzębski、Stanisław Kurzyna、Jan Nowosielski、Wojciech Wasilewski、Mateusz Mazelanik、およびMichał Parniakの「時間周波数領域における光学フラクションフーリエ変換の実験的実装」、2023年6月12日 実際のレビュー手紙。
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

「量子光学技術」（MAB/2018/4）プロジェクトは、欧州地域開発基金に基づいて、欧州連合が共同資金を支援するポーランド科学財団の国際研究アジェンダプログラム内で行われます。