Pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Varsóvia, em colaboração com especialistas do Centro QOT de Tecnologia Óptica Quântica, foram pioneiros em uma tecnologia inovadora que permite a transformação fracionária de Fourier de pulsos de luz usando memória quântica. Esta conquista é única em todo o mundo, já que a equipe é a primeira a conseguir experimentalmente a transformação acima em tal sistema.
Os resultados da pesquisa foram publicados na famosa revista Physical Review Letters. Em seu trabalho, os alunos testaram implementações de transformadas fracionárias de Fourier usando pulsos de luz duplos, também conhecidos como estados do “gato de Schrödinger”.
Uma onda (como a luz) tem propriedades próprias - duração e frequência do pulso (no caso da luz, correspondente à sua cor). Acontece que essas propriedades estão relacionadas entre si por meio de uma operação chamada transformada de Fourier, que passa da descrição da onda em termos de tempo para a descrição do espectro da onda em termos de frequência.
A transformada fracionária de Fourier é uma generalização da transformada de Fourier que permite a transição da descrição da parte temporal de uma onda para a descrição da frequência da onda. Intuitivamente, pode ser entendido como a rotação da distribuição do sinal em consideração (por exemplo, a função de Wigner periódica no tempo) em um determinado ângulo no domínio tempo-frequência.
Este tipo de transformação provou ser muito útil no projeto de filtros espectrais-temporais especiais que não apenas removem o ruído, mas também criam algoritmos que exploram as propriedades quânticas da luz para distinguir pulsos de diferentes frequências com mais precisão do que os métodos tradicionais. Isto é particularmente importante nas áreas de espectroscopia, que ajuda a estudar as propriedades químicas das substâncias, e de telecomunicações, que requerem transmissão e processamento de informações de alta precisão e alta velocidade.
Uma lente de vidro comum é capaz de focar um feixe de luz monocromático que incide sobre ela quase até um ponto (ponto focal). Alterar o ângulo de incidência da luz na lente alterará a posição do foco. Isto converte o ângulo de incidência em posição, obtendo transformadas de Fourier semelhantes em direção e espaço de posição. Os espectrômetros clássicos baseados em redes de difração exploram esse efeito para converter informações de comprimento de onda da luz em informações posicionais, permitindo-nos distinguir linhas espectrais.
Semelhante às lentes de vidro, as lentes de tempo e frequência também podem converter a duração de um pulso em uma distribuição espectral ou realizar efetivamente uma transformada de Fourier no tempo e no espaço de frequência. Escolhendo corretamente a potência desta lente, uma transformada fracionária de Fourier pode ser realizada. No caso de pulsos de luz, as lentes de tempo e frequência atuam como uma transformação de fase secundária do sinal.
Para processar os sinais, os pesquisadores usaram uma memória quântica – ou, mais precisamente, uma memória com capacidade de processamento quântico de luz – baseada em um aglomerado de átomos de rubídio colocados em uma armadilha magneto-óptica. Os átomos são resfriados a uma temperatura específica. A memória é colocada em um campo magnético variável, permitindo que componentes de diferentes frequências sejam armazenados em diferentes partes da nuvem atômica. Os pulsos estão sujeitos a lentes de tempo durante a escrita e leitura e lentes de frequência durante o armazenamento.
O dispositivo desenvolvido na Universidade de Washington pode implementar programaticamente tal lente em uma ampla gama de parâmetros. O pulso duplo é tão sujeito à decoerência que é frequentemente comparado ao famoso gato de Schrödinger - uma superposição macroscópica que volta dos mortos e é quase impossível de ser alcançada experimentalmente. No entanto, a equipe foi capaz de manipular fielmente esses frágeis estados de pulso duplo.
Este artigo é o resultado do trabalho do Laboratório de Dispositivos Ópticos Quânticos e do Laboratório de Memória Quântica do Centro "Tecnologia Óptica Quântica". Participaram deste trabalho dois alunos de mestrado: Stanislaw Kurzyna e Marcin Jastrzebski, dois alunos de graduação Bartosz Niewelt e Jan Nowosielski, Dr. Mateusz Mazelanik, e os líderes do laboratório Dr. Michal Parniak e Professor Wojciech Wasilewski participaram deste trabalho. Devido a essas conquistas, BartoszNiewelt também recebeu uma bolsa para palestrar na recente conferência DAMOP em Spokane, Washington.
O método deve primeiro ser mapeado para outros comprimentos de onda e faixas de parâmetros antes de ser diretamente aplicável ao campo das telecomunicações. No entanto, a transformada fracionária de Fourier é crucial para receptores ópticos em redes de última geração, incluindo links ópticos de satélite. Um processador quântico de luz desenvolvido na Universidade de Washington pode encontrar e testar com eficiência este novo protocolo.