يقلب الفيزيائيون قطة شرودنغر على رأسها

ابتكر باحثون من كلية الفيزياء بجامعة وارسو، بالتعاون مع خبراء من مركز QOT للتقنيات البصرية الكمومية، تقنية مبتكرة تسمح بتحويل فورييه الجزئي للنبضات الضوئية باستخدام الذاكرة الكمومية.

يعد هذا الإنجاز فريدًا من نوعه على مستوى العالم حيث أن الفريق هو أول من أظهر التنفيذ التجريبي للتغيير المذكور في هذا النوع من النظام. ونشرت نتائج البحث في مجلة مرموقة رسائل المراجعة البدنية. في عملهم، اختبر الطلاب تنفيذ تحويل فورييه الجزئي باستخدام نبضة بصرية مزدوجة، والمعروفة أيضًا باسم حالة “قطة شرودنغر”.

الطيف والتوزيع الزمني للنبض

الموجات مثل الضوء لها خصائصها المميزة – مدة النبضة وترددها (في حالة الضوء، يتعلق لونه). وتبين أن هذه الخصائص مرتبطة ببعضها البعض من خلال دالة تسمى تحويل فورييه، مما يجعل من الممكن وصف الموجة من وصفها في الوقت المناسب إلى وصف طيفها بالترددات.

تحويل فورييه الكسري هو تعميم لتحويل فورييه الذي يسمح بالتحويل الجزئي من وصف الموجة إلى وصف التردد. بديهيًا، يمكن فهمها على أنها دورة توزيع الإشارة التي يتم النظر فيها بزاوية معينة في مجال التردد الزمني (على سبيل المثال، وظيفة فيغنر الحلقية الزمنية).

الطلاب في المختبر يعرضون دورة قطة شرودنغر. لم تتعرض أي قطط حقيقية للأذى خلال المشروع. المصدر: س. كورزينا وب. نيولت، جامعة وارسو

هذه الأنواع من التحولات مفيدة بشكل استثنائي في تصميم المرشحات الطيفية الزمانية الخاصة، والتي يمكن أن تساعد في إزالة الضوضاء وإنشاء آليات تجعل من الممكن التمييز بين النبضات ذات الترددات المختلفة بدقة أكبر من الطريقة التقليدية باستخدام الطبيعة الكمومية للضوء. طُرق. وهذا مهم بشكل خاص في التحليل الطيفي، الذي يتيح دراسة الخواص الكيميائية للمادة ويتطلب الاتصالات ونقل المعلومات ومعالجتها بدقة وسرعة عالية.

العدسات وتحويل فورييه؟

العدسة الزجاجية العادية قادرة على تركيز شعاع الضوء أحادي اللون الساقط عليها إلى نقطة (التركيز). يحدث تغيير موضع التركيز عن طريق تغيير زاوية سقوط الضوء على العدسة. وهذا يسمح لنا بتحويل زوايا السقوط إلى مواضع، والحصول على تشبيه لتحويل فورييه، في فضاء الاتجاهات والمواضع. يستخدم مقياس الطيف الكلاسيكي المعتمد على محزوز الحيود هذا التأثير لتحويل معلومات الطول الموجي للضوء إلى أطوار، مما يسمح بتمييز الخطوط الطيفية.

عدسات الزمن والتردد

مثل العدسة المرآة، تسمح عدسات الزمن والتردد بتحويل مدة النبضة إلى توزيعها الطيفي، أو بشكل فعال، إجراء تحويل فورييه في الزمان والمكان الترددي. إن الاختيار الصحيح لقوى هذه العدسات يجعل من الممكن إجراء تحويل فورييه كسري. في حالة النبضات الضوئية، يتوافق تشغيل عدسات الزمن والتردد مع تطبيق أطوار التربيع على الإشارة.

لمعالجة الإشارة، استخدم الباحثون ذاكرة كمومية – أو بشكل أكثر دقة ذاكرة ذات قدرات معالجة الضوء الكمي – بناءً على سحابة من ذرات الروبيديوم الموضوعة في فخ مغناطيسي بصري. تم تبريد الذرات إلى درجات حرارة أعلى من عشرة ملايين درجة الصفر المطلق. يتم وضع الذاكرة في مجال مغناطيسي متغير، مما يسمح بتخزين مكونات ذات ترددات مختلفة في أجزاء مختلفة من السحابة. تم إخضاع النبض للتعدس الزمني أثناء الكتابة والقراءة، كما أثر التعديس الترددي عليه أثناء التخزين.

يسمح الجهاز الذي تم تطويره في جامعة ويسكونسن بتنفيذ هذه العدسات في نطاق واسع جدًا من المعلمات وبطريقة قابلة للبرمجة. النبضة المزدوجة معرضة جدًا للانحلال، لذلك غالبًا ما يتم مقارنتها بقطة شرودنغر الشهيرة – وهو تراكب عياني للموتى والأحياء، يكاد يكون من المستحيل تحقيقه تجريبيًا. ومع ذلك، تمكن الفريق من تنفيذ عمليات دقيقة في تلك الظروف الضعيفة ذات النبض المزدوج.

ظهر المنشور بمشاركة اثنين من طلاب الدراسات العليا في مختبر الأجهزة البصرية الكمومية ومختبر الذاكرة الكمومية في مركز “التقنيات البصرية الكمومية”: ستانيسلاف كورزينا ومارسين جاسترزيبسكي، والطالبان الجامعيان بارتوس نيفيلد ودكتور جان، نوفمبر 2018. ماتيوس مازلانيك، وقادة المختبرات د. ميشال بارنياك والبروفيسور. فويتسيك فاسيليفسكي. حصل Bartós Nivelt على منحة العرض التقديمي خلال مؤتمر DAMOP الأخير في سبوكان، واشنطن، للنتائج الموضحة.

قبل التطبيق المباشر في الاتصالات، يجب أولاً تعيين الطريقة لأطوال موجية ونطاقات معلمات أخرى. ومع ذلك، يمكن أن يكون تحويل فورييه الجزئي مهمًا بالنسبة للمستقبلات الضوئية في الشبكات المتطورة، بما في ذلك وصلات الأقمار الصناعية الضوئية. يتيح معالج الضوء الكمي الذي تم تطويره في جامعة ويسكونسن اكتشاف مثل هذه البروتوكولات الجديدة واختبارها بكفاءة.

المراجع: بارتوس نيفيلد، مارسين جاسترابسكي، ستانيسلاف كورزينا، جان نوفوسييلسكي، فويتشخ فاسيليفسكي، بارتوس، 20 يونيو 2018. رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

يتم تنفيذ مشروع “التقنيات البصرية الكمومية” (MAB/2018/4) في إطار برنامج جدول أعمال البحوث الدولية التابع لمؤسسة العلوم البولندية، بتمويل مشترك من الاتحاد الأوروبي في إطار صندوق التنمية الإقليمية الأوروبي.