物理学者がシュレーディンガーの猫をひっくり返す

研究者らは、量子メモリを使用して光パルスの部分フーリエ変換を実行する先駆的な方法を開発しました。 このユニークな偉業には、通信や分光法に応用できる可能性がある「シュレディンガーの猫」状態への変換の実装が含まれていました。

ワルシャワ大学物理学部の研究者は、QOT量子光学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部分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。

この研究チームは、このタイプのシステムにおける前記変換の実験的適用を初めて提供したため、この成果は世界規模で他に類を見ないものです。 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部分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、独自の特徴を持っています。 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、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するフーリエ変換の一般化です。 直観的には、これは、研究対象の信号の分布 (たとえば、時間周期ウィグナー関数) を時間周波数領域で指定された角度だけ回転させるものとして理解できます。

研究室の学生たちは、シュレ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. ワルシャワ大学ノート

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ました。 。 これは、物質の化学的特性の研究に役立つ分光法や、高精度かつ高速での情報の送信と処理が必要な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に対して非常に弱いため、よく有名なシュレーディンガーの猫と比較されます。これは、実験的に達成するのがほぼ不可能な、生きている状態と死んだ状態を顕微鏡で重ね合わせたものです。 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、「量子光技術」センターの量子光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ワフ・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・ノイルト氏とヤン氏の２名が参加した。ノボシエルスキーとDr. マテウシュ・マスラニク氏、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・ワシレフスキー教授。 記載された結果により、Bartosz Neault 氏はワシントン州スポケーンで開催された最近の DAMOP カンファレンスで助成金プレゼンテーション賞も受賞しました。

通信に直接適用する前に、まずこの方法を他の波長および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、フラクショナル フーリエ変換は、光衛星リンクなどの最新のネットワークの光受信機にとって非常に重要です。 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見つけて、効率的な方法でテストすることが可能になります。

参考文献: Bartosz Neault、Marcin Jastrzebski、Stanisław Korzyna、Jan Novoselski、Wojciech Vasilevski、Mateusz Mazilanic、Michal Barniak 著「時間周波数領域における光分数フーリエ変換の実験的実装」、2023 年 6 月 12 日、 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、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、欧州地域開発基金の下で欧州連合からの共同融資を受けています。