Studenten der Fakultät für Physik der Universität Warschau (UW) und Forscher des QOT-Zentrums für quantenoptische Technologien haben eine innovative Methode entwickelt, die die Durchführung der fraktionellen Fourier-Transformation optischer Impulse mithilfe eines Quantenspeichers ermöglicht. Diese Leistung ist weltweit einzigartig, da das Team als erstes Unternehmen eine experimentelle Umsetzung der besagten Transformation in einem solchen System vorstellte.
Die Ergebnisse der Forschung wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung. In ihrer Arbeit testeten die Studierenden die Umsetzung der fraktionalen Fourier-Transformation mithilfe eines doppelten optischen Impulses, auch „Schrödinger-Katze“-Zustand genannt.
Das Spektrum des Pulses und die zeitliche Verteilung
Wellen wie Licht haben ihre eigenen charakteristischen Eigenschaften – Impulsdauer und Frequenz (entsprechend im Fall von Licht seiner Farbe). Es stellt sich heraus, dass diese Eigenschaften durch eine Operation namens Fourier-Transformation miteinander in Beziehung stehen, die 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 einer Beschreibung einer Welle in der Zeit zu einer Beschreibung in der Frequenz ermöglicht. Intuitiv lässt sich darunter eine Drehung einer Verteilung (zum Beispiel der chronozyklischen Wigner-Funktion) des betrachteten Signals um einen bestimmten Winkel im Zeit-Frequenz-Bereich verstehen.
Es stellt sich heraus, dass Transformationen dieser Art außerordentlich nützlich bei der Entwicklung spezieller spektral-zeitlicher Filter sind, um Rauschen zu eliminieren und die Erstellung von Algorithmen zu ermöglichen, die es ermöglichen, die Quantennatur des Lichts zu nutzen, um Impulse unterschiedlicher Frequenz präziser als herkömmliche zu unterscheiden Methoden. 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 Präzision und Geschwindigkeit erfordert.
Eine gewöhnliche Glaslinse ist in der Lage, einen auf sie fallenden monochromatischen Lichtstrahl nahezu auf einen einzigen Punkt (Fokus) zu fokussieren. Eine Änderung des Einfallswinkels des Lichts auf das Objektiv führt zu einer Änderung der Fokuslage. Dies ermöglicht es uns, Einfallswinkel in Positionen umzuwandeln und so die Analogie der Fourier-Transformation im Raum der Richtungen und Positionen zu erhalten. Ein klassisches Spektrometer, das auf einem Beugungsgitter basiert, nutzt diesen Effekt, um die Wellenlängeninformationen des Lichts in Positionen umzuwandeln, die es uns ermöglichen, zwischen Spektrallinien zu unterscheiden.
Zeit- und Frequenzlinsen
Ähnlich wie die Glaslinse ermöglichen Zeit- und Frequenzlinsen die Umwandlung der Dauer eines Impulses in seine spektrale Verteilung oder führen effektiv eine Fourier-Transformation im Zeit- und Frequenzraum durch. Die richtige Auswahl der Stärken solcher Linsen ermöglicht die Durchführung einer fraktionierten Fourier-Transformation. Bei optischen Impulsen entspricht die Wirkung von Zeit- und Frequenzlinsen 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 Zehntelmillionen Grad über dem absoluten Nullpunkt (42 μK) abgekühlt. Der Speicher wurde in ein sich veränderndes Magnetfeld gelegt, wodurch Komponenten unterschiedlicher Frequenz in verschiedenen Teilen der Wolke gespeichert werden konnten. Der Impuls wurde beim Schreiben und Lesen einer Zeitlinse ausgesetzt und beim Speichern einer Frequenzlinse.
Das an der UW entwickelte Gerät ermöglicht die Implementierung solcher Linsen über einen sehr breiten Parameterbereich und auf programmierbare Weise. Ein Doppelimpuls ist sehr anfällig für Dekohärenz und wird daher oft mit der berühmten Schrödinger-Katze verglichen – einer makroskopischen Überlagerung von tot und lebendig, die experimentell fast unmöglich zu erreichen ist. Dennoch war das Team in der Lage, zuverlässige Operationen an diesen fragilen Dual-Puls-Staaten durchzuführen.
Vor einer direkten Anwendung in der Telekommunikation muss das Verfahren zunächst auf andere Wellenlängen und Parameterbereiche abgebildet werden. Die fraktionierte Fourier-Transformation könnte sich jedoch für optische Empfänger in hochmodernen Netzwerken, einschließlich optischer Satellitenverbindungen, als entscheidend erweisen. Ein an der UW entwickelter Quantenlichtprozessor ermöglicht es, solche neuen Protokolle effizient zu finden und zu testen.
Mehr Informationen:
Bartosz Niewelt et al, Experimentelle Implementierung der optischen fraktionalen Fourier-Transformation im Zeit-Frequenz-Bereich, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240801