Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau haben in Zusammenarbeit mit Experten des QOT-Zentrums für Quantenoptiktechnologie eine innovative Technologie entwickelt, die die fraktionierte Fourier-Transformation von Lichtimpulsen mithilfe eines Quantenspeichers ermöglicht. Diese Leistung ist weltweit einzigartig, da das Team das erste ist, das die obige Transformation in einem solchen System experimentell erreicht.
Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. In ihrer Arbeit testeten die Studierenden Implementierungen fraktionaler Fourier-Transformationen mithilfe doppelter Lichtimpulse, auch bekannt als „Schrödinger-Katze“-Zustände.
Wellen haben (wie Licht) ihre eigenen Eigenschaften – Impulsdauer und Frequenz (im Fall von Licht entsprechend seiner Farbe). Es stellt sich heraus, dass diese Eigenschaften durch eine Operation namens Fourier-Transformation miteinander in Beziehung stehen, die von der Beschreibung der Welle in Bezug auf die Zeit zur Beschreibung des Wellenspektrums in Bezug auf die Frequenz wechselt.
Die fraktionierte Fourier-Transformation ist eine Verallgemeinerung der Fourier-Transformation, die den Übergang von der Beschreibung des Zeitteils einer Welle zur Beschreibung der Frequenz der Welle ermöglicht. Intuitiv lässt sich darunter eine Drehung der Verteilung des betrachteten Signals (z. B. der zeitperiodischen Wigner-Funktion) um einen bestimmten Winkel im Zeit-Frequenz-Bereich verstehen.
Diese Art der Transformation hat sich bei der Entwicklung spezieller spektro-zeitlicher Filter als sehr nützlich erwiesen, nicht nur zur Rauschunterdrückung, sondern auch zur Entwicklung von Algorithmen, die die Quanteneigenschaften von Licht nutzen, um Impulse unterschiedlicher Frequenz präziser als herkömmliche Methoden zu unterscheiden. Dies ist besonders wichtig in den Bereichen Spektroskopie, die zur Untersuchung der chemischen Eigenschaften von Substanzen beiträgt, und Telekommunikation, die eine hochpräzise, schnelle Übertragung und Verarbeitung von Informationen erfordern.
Gewöhnliche Glaslinsen sind in der Lage, einen auf sie fallenden monochromatischen Lichtstrahl nahezu auf einen Punkt (Brennpunkt) zu fokussieren. Wenn Sie den Einfallswinkel des Lichts auf das Objektiv ändern, ändert sich die Position des Fokus. Dadurch wird der Einfallswinkel in die Position umgewandelt und man erhält ähnliche Fourier-Transformationen im Richtungs- und Positionsraum. Klassische Spektrometer auf Basis von Beugungsgittern nutzen diesen Effekt, um Wellenlängeninformationen des Lichts in Positionsinformationen umzuwandeln und uns so die Unterscheidung von Spektrallinien zu ermöglichen.
Ähnlich wie Glaslinsen können Zeit- und Frequenzlinsen auch die Dauer eines Impulses in eine Spektralverteilung umwandeln oder effektiv eine Fourier-Transformation im Zeit- und Frequenzraum durchführen. Durch die richtige Wahl der Stärke dieser Linse kann eine fraktionierte Fourier-Transformation durchgeführt werden. Bei Lichtimpulsen wirken Zeit- und Frequenzlinsen als sekundäre Phasentransformation des Signals.
Um die Signale zu verarbeiten, verwendeten die Forscher einen Quantenspeicher – oder genauer gesagt einen Speicher mit Quantenlichtverarbeitungsfähigkeiten – basierend auf einem Klumpen von Rubidiumatomen, die in einer magnetooptischen Falle platziert wurden. Atome werden auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt. Der Speicher wird in einem sich verändernden Magnetfeld platziert, wodurch Komponenten unterschiedlicher Frequenz in verschiedenen Teilen der Atomwolke gespeichert werden können. Impulse unterliegen beim Schreiben und Lesen einer Zeitlinse und während der Speicherung einer Frequenzlinse.
Das an der University of Washington entwickelte Gerät kann eine solche Linse über einen sehr breiten Parameterbereich programmierbar implementieren. Der Doppelpuls ist so anfällig für Dekohärenz, dass er oft mit der berühmten Schrödinger-Katze verglichen wird – einer makroskopischen Überlagerung, die von den Toten aufersteht und experimentell kaum zu erreichen ist. Dennoch gelang es dem Team, diese fragilen Doppelpulszustände zuverlässig zu manipulieren.
Dieser Artikel ist das Ergebnis der Arbeit des Quantum Optical Device Laboratory und des Quantum Memory Laboratory des „Quantum Optical Technology“ Centers. An dieser Arbeit waren zwei Masterstudenten beteiligt: Stanislaw Kurzyna und Marcin Jastrzebski, zwei Bachelorstudenten, Bartosz Niewelt und Jan Nowosielski, Dr. Mateusz Mazelanik und die Laborleiter Dr. Michal Parniak und Professor Wojciech Wasilewski. Aufgrund dieser Leistungen erhielt BartoszNiewelt auch einen Vortragsstipendium auf der jüngsten DAMOP-Konferenz in Spokane, Washington.
Die Methode muss auf andere Wellenlängen und Parameterbereiche abgebildet werden, bevor sie direkt auf den Telekommunikationsbereich anwendbar ist. Allerdings ist die fraktionierte Fourier-Transformation für optische Empfänger in modernen Netzwerken, einschließlich optischer Satellitenverbindungen, von entscheidender Bedeutung. Ein an der University of Washington entwickelter Quantenlichtprozessor kann dieses neue Protokoll effizient finden und testen.