Los estudiantes de investigación ponen patas arriba al gato de Schrödinger

29 de junio de 2023

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por la Universidad de Varsovia

Estudiantes de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia (UW) e investigadores del Centro de Tecnologías Ópticas Cuánticas (QOT) han desarrollado un método innovador que permite realizar la Transformada de Fourier fraccionaria de pulsos ópticos utilizando memoria cuántica. Este logro es único a escala global, ya que el equipo fue el primero en presentar una implementación experimental de dicha transformación en este tipo de sistema.

Los resultados de la investigación se publicaron en la revista Physical Review Letters. En su trabajo, los estudiantes probaron la implementación de la Transformada de Fourier fraccionaria utilizando un doble pulso óptico, también conocido como estado de un "gato de Schrödinger".

Las ondas, como la luz, tienen sus propiedades características propias: duración del pulso y frecuencia (que corresponden, en el caso de la luz, a su color). Resulta que estas características están relacionadas entre sí a través de una operación llamada Transformada de Fourier, que permite pasar de describir una onda en el tiempo a describir su espectro en frecuencias.

La Transformada de Fourier fraccionaria es una generalización de la Transformada de Fourier que permite una transición parcial de una descripción de una onda en el tiempo a una descripción en frecuencia. Intuitivamente, se puede entender como una rotación de una distribución (por ejemplo, la función Wigner cronocíclica) de la señal considerada por un cierto ángulo en el dominio tiempo-frecuencia.

Resulta que las transformadas de este tipo son excepcionalmente útiles en el diseño de filtros espectrales-temporales especiales para eliminar el ruido y permitir la creación de algoritmos que hacen posible utilizar la naturaleza cuántica de la luz para distinguir pulsos de diferentes frecuencias con mayor precisión que los métodos tradicionales. Esto es especialmente importante en espectroscopia, que ayuda a estudiar las propiedades químicas de la materia, y en telecomunicaciones, que requiere la transmisión y procesamiento de información con alta precisión y velocidad.

Una lente de vidrio común es capaz de enfocar un haz monocromático de luz que incide sobre ella casi en un punto único (foco). Cambiar el ángulo de incidencia de la luz en la lente resulta en un cambio en la posición del foco. Esto nos permite convertir los ángulos de incidencia en posiciones, obteniendo la analogía de la Transformada de Fourier, en el espacio de direcciones y posiciones. Un espectrómetro clásico basado en una rejilla de difracción utiliza este efecto para convertir la información de longitud de onda de la luz en posiciones, lo que nos permite distinguir entre líneas espectrales.

De manera similar a la lente de vidrio, las lentes de tiempo y frecuencia permiten la conversión de la duración de un pulso en su distribución espectral, o efectivamente, realizar una transformada de Fourier en el espacio tiempo y frecuencia. La selección adecuada de las potencias de dichas lentes permite realizar una Transformada de Fourier fraccionaria. En el caso de los pulsos ópticos, la acción de las lentes de tiempo y frecuencia corresponde a aplicar fases cuadráticas a la señal.

Para procesar la señal, los investigadores utilizaron una memoria cuántica, o más precisamente una memoria equipada con capacidades de procesamiento de luz cuántica, basada en una nube de átomos de rubidio colocados en una trampa magneto-óptica. Los átomos se enfriaron a una temperatura de décimas de millones de grados sobre el cero absoluto (42 μK). La memoria se colocó en un campo magnético cambiante, lo que permitió que los componentes de diferentes frecuencias se almacenaran en diferentes partes de la nube. El pulso fue sometido a una lente de tiempo durante la escritura y lectura, y una lente de frecuencia actuó sobre él durante el almacenamiento.

El dispositivo desarrollado en la UW permite la implementación de dichas lentes en un rango muy amplio de parámetros y de manera programable. Un doble pulso es muy propenso a la decoherencia, por lo que a menudo se compara con el famoso gato de Schrödinger, una superposición macroscópica de estar muerto y vivo, casi imposible de lograr experimentalmente. Sin embargo, el equipo pudo implementar operaciones fieles en esos estados de pulso dual frágiles.

Antes de su aplicación directa en telecomunicaciones, el método debe ser mapeado primero a otras longitudes de onda y rangos de parámetros. Sin embargo, la Transformada de Fourier fraccionaria podría resultar crucial para receptores ópticos en redes de última generación, incluidos los enlaces ópticos por satélite. Un procesador de luz cuántica desarrollado en la UW permite encontrar y probar tales nuevos protocolos de manera eficiente.

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