Physiker stellen Schrödingers Katze auf den Kopf

Forscher der Fakultät für Physik der Universität Warschau haben in Zusammenarbeit mit Experten des QOT-Zentrums für quantenoptische Technologien eine innovative Technologie entwickelt, die die Durchführung einer fraktionierten Fourier-Transformation optischer Impulse mithilfe eines Quantenspeichers ermöglicht.

Diese Leistung ist auf globaler Ebene einzigartig, da das Team das erste war, das eine experimentelle Anwendung der oben genannten Transformation in einem solchen System vorstellte. Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung. In ihrer Arbeit testeten die Studierenden die Umsetzung einer fraktionalen Fourier-Transformation mithilfe eines doppelten optischen Impulses, auch bekannt als „Schrödinger-Katze“-Bedingung.

Pulsspektrum und Zeitverteilung

Wellen haben wie Licht ihre eigenen charakteristischen Eigenschaften – die Dauer des Impulses und seine Frequenz (entsprechend im Fall von Licht seiner Farbe). Es stellt sich heraus, dass diese Eigenschaften durch einen Prozess namens Fourier-Transformation miteinander in Beziehung stehen, der es ermöglicht, von der Beschreibung einer Welle in der Zeit zur Beschreibung ihres Spektrums in Frequenzen zu wechseln.

Die fraktionierte Fourier-Transformation ist eine Verallgemeinerung der Fourier-Transformation, die einen teilweisen Übergang von einer Beschreibung einer Welle in der Zeit zu einer Beschreibung in der Frequenz ermöglicht. Intuitiv kann es als Drehung einer Verteilung (z. B. Wigner-Zeit-Toroidfunktion) des untersuchten Signals um einen bestimmten Winkel im Zeit-Frequenz-Bereich verstanden werden.

Studenten im Labor demonstrieren die Rotation der Zustände von Schrödingers Katze. Während des Projekts wurden keine echten Katzen verletzt. Quelle: S. Korzina und B. Neault, Universität Warschau

Solche Transformationen erweisen sich als äußerst nützlich, um spezielle spektrale und zeitliche Filter zur Rauschunterdrückung zu entwerfen und Algorithmen zu erstellen, die es ermöglichen, die Quantennatur des Lichts zu nutzen, um Impulse unterschiedlicher Frequenz präziser als mit herkömmlichen Methoden zu unterscheiden. Dies ist besonders wichtig in der Spektroskopie, die dabei hilft, die chemischen Eigenschaften von Materie zu untersuchen, und in der Telekommunikation, die die Übertragung und Verarbeitung von Informationen mit hoher Präzision und Geschwindigkeit erfordert.

Linsen und Fourier-Transformation?

Eine gewöhnliche Glaslinse ist in der Lage, einen auf sie fallenden monochromatischen Lichtstrahl auf ungefähr einen einzigen Punkt (Fokus) zu fokussieren. Durch Ändern des Winkels des auf das Objektiv fallenden Lichts ändert sich die Fokusposition. Dies ermöglicht es uns, Einfallswinkel in Positionen umzuwandeln und so eine Fourier-Transformations-Analogie im Raum der Richtungen und Positionen zu erhalten. Klassische Spektrographen auf der Basis von Beugungsgittern nutzen diesen Effekt, um Wellenlängeninformationen des Lichts in Positionen umzuwandeln, die es uns ermöglichen, zwischen Spektrallinien zu unterscheiden.

Zeit- und Frequenzlinsen

Ähnlich einer Glaslinse ermöglichen Zeit-Frequenz-Linsen die Umwandlung der Pulsdauer in ihre spektrale Verteilung oder effektiv die Durchführung einer Fourier-Transformation in der Frequenz-Raum-Zeit. Die richtige Auswahl der Stärken dieser Linsen ermöglicht die Durchführung einer fraktionierten Fourier-Transformation. Bei optischen Impulsen entspricht die Wirkung von Zeit- und Frequenzlinsen der Anwendung quadratischer Phasen auf das Signal.

Um das Signal zu verarbeiten, verwendeten die Forscher einen Quantenspeicher – oder genauer gesagt einen Speicher, der mit Quantenlichtverarbeitungsfähigkeiten ausgestattet ist – basierend auf einer Wolke aus Rubidiumatomen, die in einer magnetooptischen Falle platziert wurden. Die Atome wurden auf eine Temperatur von mehreren zehn Millionen Grad abgekühlt Absoluter Nullpunkt. Der Speicher wird in einem variablen Magnetfeld platziert, wodurch Komponenten unterschiedlicher Frequenz in verschiedenen Teilen der Wolke gespeichert werden können. Der Impuls wurde beim Schreiben und Lesen einer Zeitlinse und während der Speicherung einer Frequenzlinse ausgesetzt.

Das an der University of Wisconsin entwickelte Gerät ermöglicht die Implementierung solcher Linsen über einen sehr breiten Parameterbereich und auf programmierbare Weise. Der Doppelpuls ist sehr anfällig für Dekohärenz und wird daher oft mit der berühmten Schrödingers Katze verglichen – einer mikroskopischen Überlagerung von Leben und Tod, die experimentell fast unmöglich zu erreichen ist. Das Team konnte jedoch präzise Operationen an diesen fragilen Doppelpulsgehäusen durchführen.

Die Veröffentlichung war das Ergebnis der Arbeit im Labor für Quantenoptische Geräte und im Labor für Quantenspeicher am Zentrum für „Quantumoptische Technologien“ unter Beteiligung von zwei Masterstudenten: Stanislaw Korzina und Marcin Yastrzebski, zwei Bachelorstudenten Bartosz Neault und Jan Novosielski und Dr. Mateusz Maslanyk und die Leiter des Labors, Dr. Michal Barniak und Professor Wojciech Wasilewski. Für die beschriebenen Ergebnisse erhielt Bartosz Neault außerdem einen Förderpreis während der jüngsten DAMOP-Konferenz in Spokane, Washington.

Vor der direkten Anwendung in der Kommunikation muss die Methode zunächst auf andere Wellenlängen und Parameterbereiche abgebildet werden. Allerdings kann die partielle Fourier-Transformation für optische Empfänger in modernen Netzwerken, einschließlich optischer Satellitenverbindungen, von entscheidender Bedeutung sein. Ein an der University of Wisconsin entwickelter Quantenlichtprozessor ermöglicht es, solche neuen Protokolle effizient zu finden und zu testen.

Referenzen: „Experimentelle Implementierung der optischen fraktionalen Fourier-Transformation im Zeit-Frequenz-Bereich“ von Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic und Michal Barniak, 12. Juni 2023, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Das Projekt „Quantum Optical Technologies“ (MAB/2018/4) wird im Rahmen des International Research Agendas Program der Polnischen Wissenschaftsstiftung umgesetzt, das von der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung kofinanziert wird.