Physiker stellen Schrödingers Katze auf den Kopf

Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau haben in Zusammenarbeit mit Experten des QOT-Zentrums für quantenoptische Technologien eine innovative Technik entwickelt, die es ermöglicht, mithilfe eines Quantenspeichers eine partielle Fourier-Transformation von Lichtimpulsen durchzuführen.

Diese Leistung ist weltweit einzigartig, da das Team als erstes Unternehmen eine experimentelle Anwendung dieser Transformation in einem solchen System ermöglichte. Die Ergebnisse der Forschung wurden in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung. In ihrer Arbeit testeten die Studierenden die Umsetzung der partiellen Fourier-Transformation mithilfe eines doppelten optischen Pulses, auch „Schrödinger-Katze“-Bedingung genannt.

Pulsspektrum und Zeitverteilung

Wellen haben wie Licht ihre eigenen definierenden Eigenschaften – die Dauer des Impulses und seine Frequenz (entspricht im Fall von Licht seiner Farbe). Es stellt sich heraus, dass diese Eigenschaften durch einen Prozess namens Fourier-Transformation miteinander in Beziehung stehen, der es ermöglicht, von der Beschreibung einer Welle in der Zeit zur Beschreibung ihres Spektrums in Frequenzen zu wechseln.

Die fraktionierte Fourier-Transformation ist eine Verallgemeinerung der Fourier-Transformation, die einen teilweisen Übergang von der Beschreibung einer Welle in der Zeit zur Beschreibung in der Frequenz ermöglicht. Intuitiv lässt sich darunter die Drehung einer Verteilung (z. B. der zeitzyklischen Wigner-Funktion) des untersuchten Signals um einen gegebenen Winkel im Zeit-Frequenz-Bereich verstehen.

Studenten im Labor zeigen die Rotation von Schrödingers Katzenzuständen. Während des Projekts wurden keine echten Katzen verletzt. Quelle: S. Corzyna geb. Neault, Universität Warschau

Transformationen dieser Art haben sich als außerordentlich nützlich erwiesen, um spezielle spektrale und zeitliche Filter zur Rauschunterdrückung zu entwerfen und die Erstellung von Algorithmen zu ermöglichen, die es ermöglichen, die Quantennatur des Lichts zu nutzen, um Impulse unterschiedlicher Frequenz genauer als mit herkömmlichen Methoden zu unterscheiden . Dies ist besonders wichtig in der Spektroskopie, die dabei hilft, die chemischen Eigenschaften von Materie zu untersuchen, und in der Telekommunikation, die die Übertragung und Verarbeitung von Informationen mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit erfordert.

Linsen und Fourier-Transformation?

Eine gewöhnliche Glaslinse ist in der Lage, einen auf sie fallenden Strahl monochromatischen Lichts auf nahezu einen einzigen Punkt (Fokus) zu fokussieren. Wenn Sie den Einfallswinkel des Lichts auf das Objektiv ändern, ändert sich die Fokusposition. Dadurch können wir die Einfallswinkel in Positionen umwandeln und so eine Fourier-Transformationsanalogie im Richtungs- und Positionsraum erhalten. Ein klassisches Beugungsgitterspektrometer nutzt diesen Effekt, um die Wellenlängeninformationen des Lichts in Orte umzuwandeln, die es uns ermöglichen, zwischen Spektrallinien zu unterscheiden.

Linsen von Zeit und Frequenz

Ähnlich einer Glaslinse ermöglichen Zeit-Frequenz-Linsen die Umwandlung der Pulsdauer in ihre spektrale Verteilung bzw. die Durchführung einer Fourier-Transformation in der Raumfrequenz-Zeit. Die richtige Auswahl der Stärken dieser Linsen ermöglicht die Durchführung einer fraktionierten Fourier-Transformation. Bei optischen Impulsen entspricht die Wirkung der Zeit-Frequenz-Linse der Anwendung quadratischer Phasen auf das Signal.

Um das Signal zu verarbeiten, verwendeten die Forscher einen Quantenspeicher – oder genauer gesagt einen Speicher, der mit Quantenlichtverarbeitungsfähigkeiten ausgestattet ist – basierend auf einer Wolke aus Rubidiumatomen, die in einer magnetooptischen Falle platziert wurden. Die Atome wurden auf eine Temperatur von mehreren zehn Millionen Grad darüber abgekühlt Absoluter Nullpunkt. Der Speicher wird in einem sich ändernden Magnetfeld platziert, wodurch Komponenten unterschiedlicher Frequenz in verschiedenen Teilen der Wolke gespeichert werden können. Der Impuls wurde beim Schreiben und Lesen einer Zeitlinse und während der Speicherung einer Frequenzlinse ausgesetzt.

Das an der University of Wisconsin entwickelte Gerät ermöglicht die Implementierung solcher Linsen über einen sehr breiten Parameterbereich und auf programmierbare Weise. Der Doppelpuls ist sehr anfällig für Dekohärenz, daher wird er oft mit Schrödingers berühmter Katze verglichen – einer mikroskopischen Überlagerung Ihres toten und lebendigen Universums, die experimentell fast unmöglich zu erreichen ist. Das Team konnte jedoch präzise Operationen an diesen fragilen Doppelpulsgehäusen durchführen.

Die Veröffentlichung war das Ergebnis der Arbeit im Labor für Quantenoptische Geräte und im Labor für Quantenspeicher am Zentrum für Quantenoptische Technologien unter Beteiligung von zwei Masterstudenten: Stanislav Korzyna und Marcin Jastrzebski, zwei Studenten Bartosz Neult und Jan Novosielski sowie Dr. Mateusz Mazlanek und die Leiter des Labors, Dr. Michal Barniak und Professor Wojciech Vasilevski. Für die beschriebenen Ergebnisse wurde Bartosz Neolt außerdem ein Präsentationsstipendium während der jüngsten DAMOP-Konferenz in Spokane, Washington, verliehen.

Vor der direkten Anwendung in der Kommunikation muss die Methode zunächst auf Wellenlängen und andere Parameterbereiche abgebildet werden. Allerdings kann die partielle Fourier-Transformation für optische Empfänger in modernen Netzwerken, einschließlich optischer Satellitenverbindungen, von entscheidender Bedeutung sein. Ein an der University of Wisconsin entwickelter Quantenlichtprozessor ermöglicht es, solche neuen Protokolle effizient zu finden und zu testen.

Referenzen: „Experimental Implementation of the Optical Fractional Fourier Transform in the Time-Frequency Domain“ von Bartosz Neulte, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novosilski, Wojciech Vasilewski, Mateusz Mazelanek und Michal Barniak, 12. Juni 2023, hier verfügbar. Briefe zur körperlichen Untersuchung.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Das Projekt „Quantum Optical Technologies“ (MAB/2018/4) wird im Rahmen des International Research Agendas Program der Polnischen Wissenschaftsstiftung umgesetzt, das von der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung kofinanziert wird.