Los investigadores han desarrollado un método pionero para realizar la transformada fraccionada de Fourier de pulsos ópticos utilizando memoria cuántica. Este logro único implicó realizar la transformación en el estado del «gato de Schrödinger», que tiene aplicaciones potenciales en comunicaciones y espectroscopia.
Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, en colaboración con expertos del Centro QOT de Tecnologías Ópticas Cuánticas, han creado una tecnología innovadora que permite realizar la transformada fraccionada de Fourier de pulsos ópticos utilizando memoria cuántica.
Este logro es único a nivel global, ya que el equipo fue el primero en presentar una aplicación experimental de la mencionada transformación en este tipo de sistemas. Los resultados de la investigación fueron publicados en la prestigiosa revista. Cartas de revisión física. En su trabajo, los estudiantes probaron la implementación de una transformada fraccionada de Fourier utilizando un pulso óptico doble, también conocida como la condición del «gato de Schrödinger».
Espectro de pulsos y distribución del tiempo.
Las ondas, como la luz, tienen sus propias propiedades características: la duración del pulso y su frecuencia (correspondiente, en el caso de la luz, a su color). Resulta que estas propiedades están relacionadas entre sí mediante un proceso llamado transformada de Fourier, que permite pasar de describir una onda en el tiempo a describir su espectro en frecuencias.
La transformada fraccionada de Fourier 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, puede entenderse como una rotación de una distribución (por ejemplo, función toroidal temporal de Wigner) de la señal estudiada en un ángulo dado en el dominio tiempo-frecuencia.
Los estudiantes en el laboratorio demuestran la rotación de estados del gato de Schrödinger. Ningún gato real resultó herido durante el proyecto. Fuente: S. Korzina y B. Neault, Universidad de Varsovia
Transformaciones de este tipo resultan excepcionalmente útiles para diseñar filtros espectrales y temporales especiales para eliminar el ruido y permitir la creación de algoritmos que permitan utilizar la naturaleza cuántica de la luz para distinguir pulsos de diferentes frecuencias con mayor precisión que con los métodos convencionales. Esto es especialmente importante en espectroscopia, que ayuda a estudiar las propiedades químicas de la materia, y en telecomunicaciones, que requiere transmitir y procesar información con gran precisión y velocidad.
¿Lentes y transformada de Fourier?
Una lente de vidrio común es capaz de enfocar un haz de luz monocromática que incide sobre ella aproximadamente en un solo punto (enfoque). Cambiar el ángulo de la luz que incide sobre la lente cambia la posición de enfoque. Esto nos permite convertir ángulos de incidencia en posiciones, obteniendo una analogía con la transformada de Fourier, en el espacio de direcciones y posiciones. Los espectrógrafos clásicos basados en rejillas de difracción utilizan este efecto para convertir la información de longitud de onda de la luz en posiciones, lo que nos permite distinguir entre líneas espectrales.
Lentes de tiempo y frecuencia.
De manera similar a una lente de vidrio, las lentes de tiempo-frecuencia permiten convertir la duración del pulso en su distribución espectral o, efectivamente, realizar una transformada de Fourier en el espacio-tiempo de frecuencia. La correcta selección de las potencias de estas lentes permite realizar una transformada fraccionada de Fourier. En el caso de los pulsos ópticos, la acción de las lentes de tiempo y frecuencia corresponde a la aplicación de 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 cuántico de luz, basada en una nube de átomos de rubidio colocados en una trampa magnetoóptica. Los átomos se enfriaron a una temperatura de decenas de millones de grados por encima Cero absoluto. La memoria se coloca en un campo magnético variable, lo que permite almacenar componentes de diferentes frecuencias en diferentes partes de la nube. El pulso fue sometido a una lente de tiempo durante la escritura y la lectura, y a una lente de frecuencia durante el almacenamiento.
El dispositivo desarrollado en la Universidad de Wisconsin permite implementar este tipo de lentes en una gama muy amplia de parámetros y de forma programable. El doble pulso es muy vulnerable a la decoherencia y, por eso, a menudo se lo compara con el famoso gato de Schrödinger: una superposición microscópica de estar vivo y muerto, casi imposible de lograr experimentalmente. Sin embargo, el equipo pudo realizar operaciones precisas en estas frágiles cajas de doble pulso.
La publicación fue el resultado del trabajo en el Laboratorio de Dispositivos Ópticos Cuánticos y el Laboratorio de Memoria Cuántica del Centro de Tecnologías Ópticas Cuánticas con la participación de dos estudiantes de maestría: Stanislaw Korzina y Marcin Yastrzebski, dos estudiantes universitarios Bartosz Neault y Jan Novosielski y el Dr. Mateusz Maslanyk, y los jefes del laboratorio, el Dr. Michal Barniak y el profesor Wojciech Wasilewski. Por los resultados descritos, Bartosz Neault también recibió un premio a la presentación de una subvención durante la reciente conferencia DAMOP en Spokane, Washington.
Antes de la aplicación directa en las comunicaciones, el método primero debe asignarse a otras longitudes de onda y rangos de parámetros. Sin embargo, la transformada fraccionaria de Fourier puede ser crucial para los receptores ópticos en las redes modernas, incluidos los enlaces ópticos por satélite. Un procesador de luz cuántica desarrollado en la Universidad de Wisconsin permite encontrar estos nuevos protocolos y probarlos de manera eficiente.
Referencias: “Implementación experimental de la transformada óptica fraccionaria de Fourier en el dominio tiempo-frecuencia” por Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic y Michal Barniak, 12 de junio de 2023. Cartas de revisión física.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801
El proyecto “Tecnologías ópticas cuánticas” (MAB/2018/4) se implementa dentro del Programa de Agendas Internacionales de Investigación de la Fundación Científica Polaca y está cofinanciado por la Unión Europea en el marco del Fondo Europeo de Desarrollo Regional.
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