Natuurkundigen zetten de kat van Schrödinger op zijn kop

Onderzoekers hebben een baanbrekende methode ontwikkeld om fractionele Fourier-transformatie van optische pulsen uit te voeren met behulp van kwantumgeheugen. Deze unieke prestatie omvatte het uitvoeren van de transformatie van de “Schrödinger’s cat” -toestand, die potentiële toepassingen heeft in communicatie en spectroscopie.

Onderzoekers van de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Warschau hebben, in samenwerking met experts van het QOT Center for Quantum Optical Technologies, een innovatieve technologie gecreëerd die het mogelijk maakt fractionele Fourier-transformatie van optische pulsen uit te voeren met behulp van kwantumgeheugen.

Deze prestatie is uniek op mondiaal niveau, aangezien het team de eerste was die een experimentele toepassing van de bovengenoemde transformatie in dit type systeem presenteerde. De onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven. In hun werk testten de studenten de implementatie van een fractionele Fourier-transformatie met behulp van een dubbele optische puls, ook wel bekend als de ‘Schrödinger’s cat’-toestand.

Pulsspectrum en tijdverdeling

Golven hebben, net als licht, hun eigen karakteristieke eigenschappen: de duur van de puls en de frequentie ervan (die, in het geval van licht, overeenkomt met de kleur ervan). Het blijkt dat deze eigenschappen met elkaar verband houden via een proces dat de Fourier-transformatie wordt genoemd en dat het mogelijk maakt om over te schakelen van het beschrijven van een golf in de tijd naar het beschrijven van het spectrum ervan in frequenties.

De fractionele Fourier-transformatie is een generalisatie van de Fourier-transformatie die een gedeeltelijke overgang mogelijk maakt van een beschrijving van een golf in de tijd naar een beschrijving in frequentie. Intuïtief kan het worden opgevat als een rotatie van een verdeling (bijvoorbeeld de Wigner-tijdringkernfunctie) van het bestudeerde signaal onder een gegeven hoek in het tijdfrequentiedomein.

Studenten in het laboratorium demonstreren de rotatie van toestanden van de kat van Schrödinger. Tijdens het project raakten geen echte katten gewond. Bron: S. Korzina en B. Neault, Universiteit van Warschau

Dit soort transformaties blijken uitzonderlijk nuttig te zijn bij het ontwerpen van speciale spectrale en temporele filters om ruis te elimineren en de creatie van algoritmen mogelijk te maken die het mogelijk maken om de kwantumaard van licht te gebruiken om pulsen van verschillende frequenties nauwkeuriger te onderscheiden dan met conventionele methoden. Dit is vooral belangrijk bij spectroscopie, die helpt bij het bestuderen van de chemische eigenschappen van materie, en bij telecommunicatie, waarbij informatie met hoge nauwkeurigheid en snelheid moet worden verzonden en verwerkt.

Lenzen en Fourier-transformatie?

Een gewone glazen lens kan een straal monochromatisch licht die erop valt, ongeveer op één punt focusseren (focus). Het veranderen van de hoek waarin het licht op de lens valt, verandert de focuspositie. Dit stelt ons in staat invalshoeken om te zetten in posities, waardoor een analogie met Fourier-transformatie wordt verkregen in de ruimte van richtingen en posities. Klassieke op diffractieroosters gebaseerde spectrografen gebruiken dit effect om golflengte-informatie van licht om te zetten in posities, waardoor we onderscheid kunnen maken tussen spectraallijnen.

Tijd- en frequentielenzen

Net als bij een glazen lens maken tijdfrequentielenzen het mogelijk de pulsduur om te zetten in de spectrale verdeling ervan, of, effectief, een Fourier-transformatie uit te voeren in de frequentieruimte-tijd. De juiste selectie van de krachten van deze lenzen maakt het mogelijk een fractionele Fourier-transformatie uit te voeren. In het geval van optische pulsen komt de werking van tijd- en frequentielenzen overeen met de toepassing van kwadratische fasen op het signaal.

Om het signaal te verwerken, gebruikten de onderzoekers een kwantumgeheugen – of beter gezegd een geheugen uitgerust met kwantumlichtverwerkingsmogelijkheden – gebaseerd op een wolk van rubidiumatomen die in een magneto-optische val waren geplaatst. De atomen werden afgekoeld tot een temperatuur van tientallen miljoenen graden daarboven Absolute nulpunt. Het geheugen wordt in een variabel magnetisch veld geplaatst, waardoor componenten met verschillende frequenties in verschillende delen van de cloud kunnen worden opgeslagen. De puls werd tijdens het schrijven en lezen onderworpen aan een tijdlens, en tijdens opslag aan een frequentielens.

Het aan de Universiteit van Wisconsin ontwikkelde apparaat maakt het mogelijk dergelijke lenzen te implementeren over een zeer breed scala aan parameters en op een programmeerbare manier. De dubbele puls is zeer kwetsbaar voor decoherentie en wordt daarom vaak vergeleken met de beroemde kat van Schrödinger: een microscopische superpositie van levend en dood zijn, die experimenteel bijna onmogelijk te bereiken is. Het team was echter in staat nauwkeurige operaties uit te voeren op deze kwetsbare dubbelpulsgevallen.

De publicatie was het resultaat van werk in het Laboratory of Quantum Optical Devices en het Laboratory of Quantum Memory van het Center for “Quantum Optical Technologies” met deelname van twee masterstudenten: Stanislaw Korzina en Marcin Yastrzebski, twee studenten Bartosz Neault en Jan Novosielski en dr. Mateusz Maslanyk, en de hoofden van het laboratorium, Dr. Michal Barniak en Professor Wojciech Wasilewski. Voor de beschreven resultaten ontving Bartosz Neault ook een subsidiepresentatieprijs tijdens de recente DAMOP-conferentie in Spokane, Washington.

Voordat de methode rechtstreeks in de communicatie kan worden toegepast, moet deze eerst worden toegewezen aan andere golflengten en parameterbereiken. De fractionele Fourier-transformatie kan echter cruciaal zijn voor optische ontvangers in moderne netwerken, inclusief optische satellietverbindingen. Een kwantumlichtprocessor ontwikkeld aan de Universiteit van Wisconsin maakt het mogelijk om dergelijke nieuwe protocollen te vinden en deze op een efficiënte manier te testen.

Referenties: “Experimentele implementatie van optische fractionele Fourier-transformatie in het tijdfrequentiedomein” door Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic en Michal Barniak, 12 juni 2023, Fysieke beoordelingsbrieven.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Het project “Quantum Optical Technologies” (MAB/2018/4) wordt geïmplementeerd binnen het International Research Agendas Program van de Polish Science Foundation en medegefinancierd door de Europese Unie in het kader van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling.