物理学者がシュレディンガーの猫をひっくり返す

ワルシャワ大学物理学部の研究者は、QOT量子光技術センターの専門家と協力して、量子メモリを使用して光パルスの分数フーリエ変換を実行できる革新的な技術を開発しました。

同チームはこの種のシステムにおける前述の変換の実験的応用を初めて発表したため、この成果は世界レベルでユニークなものである。 研究結果は権威ある雑誌に掲載されました 物理的なレビューレター。 学生たちは、研究の中で、「シュレーディンガーの猫」条件としても知られる、二重光パルスを使用したフラクショナル フーリエ変換の実装をテストしました。

パルススペクトルと時間分布

波は、光と同様に、パルスの持続時間とその周波数（光の場合はその色に対応）という独自の特性を持っています。 これらの特性は、フーリエ変換と呼ばれるプロセスを通じて相互に関連していることが判明しました。これにより、時間での波の記述から周波数でのスペクトルの記述に切り替えることが可能になります。

分数フーリエ変換はフーリエ変換を一般化したもので、時間での波の記述から周波数での記述への部分的な移行を可能にします。 直観的には、これは、時間-周波数領域における特定の角度での調査信号の分布 (ウィグナー時間トロイド関数など) の回転として理解できます。

研究室の学生たちは、シュレーディンガーの猫の状態の回転を実演します。 プロジェクト中に本物の猫が怪我をすることはありませんでした。 出典: S. コルジナとB. ヌールト、ワルシャワ大学

この種の変換は、特殊なスペクトルおよび時間フィルターを設計してノイズを除去し、光の量子的性質を利用して異なる周波数のパルスを従来の方法よりも正確に区別できるアルゴリズムの作成を可能にするのに非常に役立つことが判明しています。 これは、物質の化学的特性の研究に役立つ分光法や、高精度かつ高速で情報を送信および処理する必要がある電気通信において特に重要です。

レンズとフーリエ変換?

通常のガラスレンズは、そこに当たる単色光のビームをほぼ単一の点（焦点）に集束させることができます。 レンズに当たる光の角度を変えるとピントの位置が変わります。 これにより、入射角を位置に変換し、方向と位置の空間でフーリエ変換の類似性を得ることができます。 古典的な回折格子分光計は、この効果を利用して光の波長情報を位置に変換し、スペクトル線を区別できるようにします。

時間と周波数のレンズ

ガラスレンズと同様に、時間周波数レンズを使用すると、パルス持続時間をそのスペクトル分布に変換したり、効果的に周波数時空間でフーリエ変換を実行したりできます。 これらのレンズの倍率を正しく選択すると、分数フーリエ変換を実行できます。 光パルスの場合、時間レンズと周波数レンズの作用は、信号への二次位相の適用に対応します。

信号を処理するために、研究者らは、磁気光学トラップ内に置かれたルビジウム原子の雲に基づく量子メモリ、より正確には量子光処理機能を備えたメモリを使用した。 原子は数千万度以上の温度まで冷却されました 絶対零度。 メモリは変化する磁場に配置され、異なる周波数の成分をクラウドの異なる部分に保存できます。 パルスには、書き込みおよび読み取り中に時間レンズが適用され、保存中に周波数レンズが適用されます。

ウィスコンシン大学で開発されたデバイスを使用すると、このようなレンズを非常に広範囲のパラメータにわたってプログラム可能な方法で実装できるようになります。 ダブルパルスはデコヒーレンスを非常に起こしやすいため、よくシュレーディンガーの有名な猫、つまり死んだ宇宙と生きた宇宙を顕微鏡で重ね合わせたものと比較されますが、これは実験的に達成するのがほとんど不可能です。 しかし、チームはこれらの壊れやすいダブルパルスのケースに対して正確な操作を実行することができました。

この出版物は、量子光学技術センターの量子光学デバイス研究室と量子メモリ研究室での研究の成果であり、修士課程の学生であるスタニスラフ・コルジナ氏とマルシン・ヤストジェブスキー氏、学部生のバルトシュ・ノイルト氏とヤン・ノヴォシエルスキ氏の2名、そして博士の参加を得た。 マテウシュ・マズラネク氏、そして研究室長のミハル・バルニアック博士とヴォイチェフ・ヴァシレフスキー教授。 記載された結果により、Bartosz Neolt はワシントン州スポケーンで開催された最近の DAMOP カンファレンス中にプレゼンテーション助成金も受賞しました。

通信に直接適用する前に、まずこの方法を波長およびその他のパラメータ範囲にマッピングする必要があります。 ただし、部分フーリエ変換は、光衛星リンクを含む最新のネットワークの光受信機にとって重要な場合があります。 ウィスコンシン大学で開発された量子光プロセッサを使用すると、このような新しいプロトコルを効率的な方法で見つけてテストすることが可能になります。

参考文献: Bartosz Neulte、Marcin Jastrzebski、Stanisław Korzyna、Jan Novosilski、Wojciech Vasilewski、Mateusz Mazelanek、Michal Barniak 著「時間周波数領域における光学的分数フーリエ変換の実験的実装」、2023 年 6 月 12 日、ここから入手可能。 物理的なレビューレター。
土井: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

プロジェクト「量子光学技術」(MAB/2018/4) は、欧州地域開発基金のもとで欧州連合との共同融資を受けたポーランド科学財団の国際研究課題プログラム内で実施されています。