Gli studenti di ricerca ribaltano il concetto del gatto di Schrödinger

29 giugno 2023

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità dei contenuti:

• verifica dei fatti
• pubblicazione sottoposta a revisione tra pari
• fonte affidabile
• correzione di bozze

dall'Università di Varsavia

Gli studenti della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia (UW) e i ricercatori del Centro QOT per le Tecnologie Ottiche Quantistiche hanno sviluppato un metodo innovativo che permette di eseguire la Trasformata di Fourier frazionaria degli impulsi ottici utilizzando la memoria quantistica. Questo risultato è unico su scala globale, poiché il team è stato il primo a presentare un'implementazione sperimentale di questa trasformazione in questo tipo di sistema.

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters. Nel loro lavoro, gli studenti hanno testato l'implementazione della Trasformata di Fourier frazionale utilizzando un doppio impulso ottico, noto anche come "gatto di Schrödinger".

Le onde, come la luce, hanno le loro proprietà caratteristiche: durata dell'impulso e frequenza (corrispondente, nel caso della luce, al suo colore). Si scopre che queste caratteristiche sono correlate tra loro mediante un'operazione chiamata Trasformata di Fourier, che consente di passare dalla descrizione di un'onda nel tempo alla descrizione del suo spettro nelle frequenze.

La Trasformata di Fourier frazionale è una generalizzazione della Trasformata di Fourier che permette una transizione parziale dalla descrizione di un'onda nel tempo alla descrizione in frequenza. In modo intuitivo, può essere compresa come una rotazione di una distribuzione (ad esempio, la funzione di Wigner cronociclica) del segnale considerato di un certo angolo nel dominio tempo-frequenza.

Si scopre che trasformazioni di questo tipo sono estremamente utili nella progettazione di filtri spazio-temporali speciali per eliminare il rumore e consentire la creazione di algoritmi che permettano di utilizzare la natura quantistica della luce per distinguere impulsi di diverse frequenze in modo più preciso rispetto ai metodi tradizionali. Questo è particolarmente importante in spettroscopia, che aiuta a studiare le proprietà chimiche della materia, e nelle telecomunicazioni, che richiedono la trasmissione e l'elaborazione delle informazioni con elevata precisione e velocità.

Una lente di vetro ordinaria è in grado di focalizzare un fascio monocromatico di luce che cade su di essa quasi in un solo punto (focale). Cambiando l'angolo di incidenza della luce sulla lente si ottiene un cambiamento della posizione del fuoco. Questo ci permette di convertire gli angoli di incidenza in posizioni, ottenendo l'analogia della Trasformata di Fourier, nello spazio di direzioni e posizioni. Uno spettrometro classico basato su una griglia di diffrazione utilizza questo effetto per convertire le informazioni sulla lunghezza d'onda della luce in posizioni, permettendoci di distinguere le linee spettrali.

In modo simile alla lente di vetro, le lenti di tempo e frequenza consentono di convertire la durata di un impulso nella sua distribuzione spettrale, o di effettuare efficacemente una trasformata di Fourier nello spazio tempo e frequenza. La corretta selezione delle potenze di queste lenti permette di eseguire una Trasformata di Fourier frazionale. Nel caso degli impulsi ottici, l'azione delle lenti di tempo e frequenza corrisponde all'applicazione di fasi quadratiche al segnale.

Per elaborare il segnale, i ricercatori hanno utilizzato una memoria quantistica - o più precisamente una memoria dotata di capacità di elaborazione della luce quantistica - basata su una nube di atomi di rubidio posta in una trappola magneto-ottica. Gli atomi sono stati raffreddati a una temperatura di decine di milioni di gradi al di sopra dello zero assoluto (42 μK). La memoria è stata posta in un campo magnetico variabile, che ha permesso di immagazzinare componenti di diverse frequenze in diverse parti della nube. L'impulso è stato sottoposto a una lente temporale durante la scrittura e la lettura, e una lente di frequenza ha agito su di esso durante la memorizzazione.

Il dispositivo sviluppato presso la UW consente l'implementazione di tali lenti su un'ampia gamma di parametri e in modo programmabile. Un doppio impulso è molto sensibile alla decoerenza, pertanto viene spesso paragonato al famoso gatto di Schrödinger - una sovrapposizione macroscopica di essere morto e vivo, quasi impossibile da ottenere sperimentalmente. Tuttavia, il team è stato in grado di implementare operazioni fedeli su quelle fragili dual-pulse states.

Prima di un'applicazione diretta nelle telecomunicazioni, il metodo deve prima essere mappato su altre lunghezze d'onda e intervalli di parametri. La Trasformata di Fourier frazionaria, tuttavia, potrebbe rivelarsi cruciale per i ricevitori ottici nelle reti all'avanguardia, compresi i collegamenti satellitari ottici. Un processore quantistico della luce sviluppato presso la UW permette di trovare e testare tali nuovi protocolli in modo efficiente.

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