Forschungsstudenten stellen Schrödingers Katze auf den Kopf

29. Juni 2023

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Korrekturgelesen von der Universität Warschau

Studierende der Fakultät für Physik der Universität Warschau (UW) und Forscher des QOT Center for Quantum Optical Technologies haben eine innovative Methode entwickelt, mit der die fractionale Fourier-Transformation von optischen Impulsen mithilfe des Quantengedächtnisses durchgeführt werden kann. Diese Leistung ist weltweit einzigartig, da das Team als erstes eine experimentelle Umsetzung dieser Transformation in diesem System präsentiert hat.

Die Ergebnisse der Forschung wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. In ihrer Arbeit haben die Studierenden die Implementierung der fractional Fourier-Transformation anhand eines doppelten optischen Impulses getestet, der auch als 'Schrödingers Katze'-Zustand bekannt ist.

Wellen, wie Licht, haben ihre eigenen charakteristischen Eigenschaften - Pulsdauer und Frequenz (die, im Falle von Licht, ihrer Farbe entspricht). Es stellt sich heraus, dass diese Eigenschaften durch eine Operation namens Fourier-Transformation miteinander verbunden sind, die es ermöglicht, von der Beschreibung einer Welle in der Zeit zur Beschreibung ihres Spektrums in Frequenzen zu wechseln.

Die fractionale Fourier-Transformation ist eine Verallgemeinerung der Fourier-Transformation, die einen teilweisen Übergang von einer zeitlichen Beschreibung einer Welle zu einer Beschreibung in der Frequenz ermöglicht. Intuitiv kann sie als Drehung einer Verteilung (zum Beispiel der chronozyklischen Wigner-Funktion) des betrachteten Signals um einen bestimmten Winkel im Zeit-Frequenz-Bereich verstanden werden.

Es stellt sich heraus, dass Transformationen dieser Art bei der Konstruktion spezieller spektral-zeitlicher Filter zur Beseitigung von Rauschen und zur Ermöglichung der Erstellung von Algorithmen außerordentlich nützlich sind, die es ermöglichen, die Quantennatur des Lichts präziser als herkömmliche Methoden zur Unterscheidung von Impulsen unterschiedlicher Frequenzen zu nutzen. Dies ist besonders wichtig in der Spektroskopie, die dazu dient, die chemischen Eigenschaften von Materie zu untersuchen, und in der Telekommunikation, die eine Übertragung und Verarbeitung von Informationen mit hoher Präzision und Geschwindigkeit erfordert.

Ein gewöhnliches Glasobjektiv ist in der Lage, einen monochromatischen Lichtstrahl, der auf es fällt, nahezu auf einen einzigen Punkt (Fokus) zu fokussieren. Durch Änderung des Einfallswinkels des Lichts auf das Objektiv ändert sich die Position des Fokus. Dies ermöglicht es uns, Einfallswinkel in Positionen umzuwandeln und die Analogie der Fourier-Transformation im Raum der Richtungen und Positionen zu erhalten. Ein klassischer Spektrometer, das auf einer Beugungsnetzplatte basiert, nutzt diesen Effekt, um die Wellenlängeninformation des Lichts in Positionen umzuwandeln und uns so zu ermöglichen, zwischen spektralen Linien zu unterscheiden.

Ähnlich wie das Glasobjektiv ermöglichen Zeit- und Frequenzobjektive die Umwandlung der Dauer eines Impulses in seine spektrale Verteilung oder wirken effektiv als Fourier-Transformation im Zeit- und Frequenzbereich. Durch eine geeignete Auswahl der Potenzen solcher Objektive ist es möglich, eine fractionale Fourier-Transformation durchzuführen. Im Fall optischer Pulse entspricht die Wirkung von Zeit- und Frequenzobjektiven der Anwendung quadratischer Phasen auf das Signal.

Zur Verarbeitung des Signals verwendeten die Forscher ein Quantengedächtnis - genauer gesagt ein mit Fähigkeiten zur quantenoptischen Verarbeitung ausgestattetes Gedächtnis - basierend auf einer Wolke von Rubidium-Atomen, die in einer magnetooptischen Falle platziert wurden. Die Atome wurden auf eine Temperatur von Zehntelmillionen Grad über dem absoluten Nullpunkt (42 μK) gekühlt. Das Gedächtnis wurde in einem sich ändernden Magnetfeld platziert, das es ermöglichte, Komponenten unterschiedlicher Frequenzen in verschiedenen Teilen der Wolke zu speichern. Der Impuls wurde während des Schreibens und Lesens einem Zeitobjektiv unterzogen, und während der Speicherung wirkte ein Frequenzobjektiv auf ihn.

Das an der UW entwickelte Gerät ermöglicht die Implementierung solcher Objektive über einen sehr weiten Parameterbereich und auf programmierbare Weise. Doppelimpulse sind sehr anfällig für Dekohärenz und werden daher oft mit der berühmten Schrödingers Katze verglichen - einer makroskopischen Überlagerung von Tod und Leben, die experimentell kaum zu erreichen ist. Dennoch war das Team in der Lage, genaue Operationen auf diesen fragilen Doppelpulszuständen durchzuführen.

Vor der direkten Anwendung in der Telekommunikation muss die Methode zunächst auf andere Wellenlängen und Parameterbereiche abgebildet werden. Die fractionale Fourier-Transformation könnte sich jedoch für optische Empfänger in hochmodernen Netzwerken, einschließlich optischer Satellitenverbindungen, als entscheidend erweisen. Ein an der UW entwickelter quantenoptischer Prozessor ermöglicht das Auffinden und Testen solcher neuen Protokolle auf effiziente Weise.

More information: Bartosz Niewelt et al, Experimental Implementation of the Optical Fractional Fourier Transform in the Time-Frequency Domain, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Journal information: Physical Review Letters

Provided by University of Warsaw