Les étudiants chercheurs retournent le chat de Schrödinger à l'envers

29 juin 2023

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par l'Université de Varsovie

Les étudiants de la Faculté de physique de l'Université de Varsovie (UW) et les chercheurs du Centre QOT pour les technologies optiques quantiques ont développé une méthode innovante qui permet d'effectuer la transformation de Fourier fractionnaire des impulsions optiques à l'aide de la mémoire quantique. Cette réalisation est unique à l'échelle mondiale, car l'équipe a été la première à présenter une mise en œuvre expérimentale de ladite transformation dans ce type de système.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans le journal Physical Review Letters. Dans leur travail, les étudiants ont testé la mise en œuvre de la transformation de Fourier fractionnaire à l'aide d'une double impulsion optique, également connue sous le nom d'état de 'chat de Schrödinger'.

Les ondes, telles que la lumière, ont leurs propres propriétés caractéristiques : la durée de l'impulsion et la fréquence (correspondant, dans le cas de la lumière, à sa couleur). Il s'avère que ces caractéristiques sont liées les unes aux autres par une opération appelée transformation de Fourier, qui permet de passer de la description d'une onde dans le temps à la description de son spectre en fréquences.

La transformation de Fourier fractionnaire est une généralisation de la transformation de Fourier qui permet une transition partielle d'une description d'une onde dans le temps à une description en fréquence. Intuitivement, on peut la comprendre comme une rotation d'une distribution (par exemple, la fonction de Wigner chronocyclique) du signal considéré par un certain angle dans le domaine temps-fréquence.

Il s'avère que les transformations de ce type sont exceptionnellement utiles dans la conception de filtres spéciaux de spectre-temporel pour éliminer le bruit et permettre la création d'algorithmes qui permettent d'utiliser la nature quantique de la lumière pour distinguer les impulsions de différentes fréquences avec plus de précision que les méthodes traditionnelles. Cela est particulièrement important en spectroscopie, qui aide à étudier les propriétés chimiques de la matière, et en télécommunications, qui nécessite la transmission et le traitement d'informations avec une grande précision et rapidité.

Une lentille en verre ordinaire est capable de focaliser un faisceau monochromatique de lumière qui tombe dessus presque en un seul point (focus). Le changement de l'angle d'incidence de la lumière sur la lentille entraîne un changement de la position du focus. Cela nous permet de convertir les angles d'incidence en positions, en obtenant l'analogie de la transformation de Fourier dans l'espace des directions et des positions. Un spectromètre classique basé sur un réseau de diffraction utilise cet effet pour convertir les informations de longueur d'onde de la lumière en positions, ce qui nous permet de distinguer entre les lignes spectrales.

De la même manière que la lentille en verre, les lentilles temporelles et fréquentielles permettent de convertir la durée d'une impulsion en sa distribution spectrale, ou effectivement, d'effectuer une transformation de Fourier dans l'espace temps-fréquence. La bonne sélection des puissances de ces lentilles permet d'effectuer une transformation de Fourier fractionnaire. Dans le cas des impulsions optiques, l'action des lentilles temporelles et fréquentielles correspond à l'application de phases quadratiques au signal.

Pour traiter le signal, les chercheurs ont utilisé une mémoire quantique, ou plus précisément une mémoire équipée de capacités de traitement de la lumière quantique, basée sur un nuage d'atomes de rubidium placés dans un piège magnéto-optique. Les atomes étaient refroidis à une température de plusieurs millions de degrés au-dessus du zéro absolu (42 μK). La mémoire a été placée dans un champ magnétique changeant, permettant aux composantes de différentes fréquences d'être stockées dans différentes parties du nuage. L'impulsion a été soumise à une lentille temporelle lors de l'écriture et de la lecture, et une lentille de fréquence a agi sur elle pendant le stockage.

Le dispositif développé à l'UW permet la mise en œuvre de telles lentilles sur une très large plage de paramètres et de manière programmable. Une double impulsion est très sensible à la décohérence, c'est pourquoi elle est souvent comparée au célèbre chat de Schrödinger - une superposition macroscopique d'être mort et vivant, presque impossible à réaliser expérimentalement. Pourtant, l'équipe a été capable de mettre en œuvre des opérations fidèles sur ces états de double impulsion fragiles.

Avant une application directe en télécommunications, la méthode doit d'abord être cartographiée sur d'autres longueurs d'onde et plages de paramètres. Cependant, la transformation de Fourier fractionnaire pourrait s'avérer cruciale pour les récepteurs optiques dans les réseaux de pointe, y compris les liaisons optiques des satellites. Un processeur de lumière quantique développé à l'UW permet de trouver et de tester de nouveaux protocoles de manière efficace.

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