물리학자들은 슈뢰딩거의 고양이를 머리로 뒤집었다

바르샤바 대학교 물리학부 연구원들은 QOT 양자 광학 기술 센터의 전문가들과 협력하여 양자 메모리를 사용하여 광학 펄스의 분수 푸리에 변환을 수행할 수 있는 혁신적인 기술을 개발했습니다.

이 성과는 글로벌 수준에서 독특합니다. 팀이 이러한 유형의 시스템에서 앞서 언급한 변환을 실험적으로 적용한 최초의 사례이기 때문입니다. 연구 결과는 권위 있는 학술지에 게재됐다. 실제 검토 편지. 학생들은 작업에서 “슈뢰딩거의 고양이” 조건이라고도 알려진 이중 광학 펄스를 사용하여 분수 푸리에 변환의 구현을 테스트했습니다.

펄스 스펙트럼 및 시간 분포

빛과 마찬가지로 파동은 펄스의 지속 시간과 주파수(빛의 경우 색상에 해당)라는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성은 푸리에 변환이라는 프로세스를 통해 서로 관련되어 있는 것으로 밝혀졌습니다. 이를 통해 파동을 시간에 따라 설명하는 것에서 주파수로 스펙트럼을 설명하는 것으로 전환할 수 있습니다.

분수 푸리에 변환은 시간에 따른 파동 설명에서 주파수 설명으로 부분 전환을 허용하는 푸리에 변환의 일반화입니다. 직관적으로 이는 시간-주파수 영역에서 주어진 각도에서 연구된 신호의 분포(예: Wigner 시간 토로이드 함수)의 회전으로 이해될 수 있습니다.

연구실의 학생들은 슈뢰딩거 고양이의 상태 회전을 보여줍니다. 프로젝트 기간 동안 실제 고양이는 다치지 않았습니다. 출처 : S. 코르지나와 B. 바르샤바대학교 노이로

이러한 종류의 변환은 노이즈를 제거하고 빛의 양자 특성을 사용하여 기존 방법보다 더 정확하게 다양한 주파수의 펄스를 구별할 수 있는 알고리즘 생성을 가능하게 하는 특수 스펙트럼 및 시간 필터를 설계하는 데 매우 유용한 것으로 밝혀졌습니다. 이는 물질의 화학적 특성을 연구하는 데 도움이 되는 분광학과 높은 정밀도와 속도로 정보를 전송하고 처리해야 하는 통신에서 특히 중요합니다.

렌즈와 푸리에 변환?

일반 유리 렌즈는 그 위에 떨어지는 단색광의 광선을 대략 단일 지점(초점)에 집중시킬 수 있습니다. 렌즈에 떨어지는 빛의 각도를 변경하면 초점 위치가 변경됩니다. 이를 통해 입사각을 위치로 변환하여 방향과 위치의 공간에서 푸리에 변환 유추를 얻을 수 있습니다. 고전적인 회절 격자 기반 분광기는 이 효과를 사용하여 빛의 파장 정보를 위치로 변환하여 스펙트럼 선을 구별할 수 있게 해줍니다.

시간 및 주파수 렌즈

유리 렌즈와 마찬가지로 시간-주파수 렌즈를 사용하면 펄스 지속 시간을 스펙트럼 분포로 변환하거나 효과적으로 주파수 시공간에서 푸리에 변환을 수행할 수 있습니다. 이러한 렌즈의 굴절력을 올바르게 선택하면 분수 푸리에 변환을 수행할 수 있습니다. 광 펄스의 경우 시간 및 주파수 렌즈의 작용은 신호에 2차 위상을 적용하는 것과 같습니다.

신호를 처리하기 위해 연구원들은 자기광학 트랩에 배치된 루비듐 원자 구름을 기반으로 하는 양자 메모리, 더 정확하게는 양자 광 처리 기능을 갖춘 메모리를 사용했습니다. 원자는 수천만도 이상의 온도로 냉각되었습니다. 절대 영도. 메모리는 가변 자기장에 배치되어 서로 다른 주파수의 구성 요소를 클라우드의 서로 다른 부분에 저장할 수 있습니다. 펄스는 쓰기 및 읽기 중에는 시간 렌즈를, 저장 중에는 주파수 렌즈를 적용했습니다.

위스콘신 대학교에서 개발된 장치를 사용하면 이러한 렌즈를 매우 광범위한 매개변수에 걸쳐 프로그래밍 가능한 방식으로 구현할 수 있습니다. 이중 펄스는 결맞음에 매우 취약하므로 종종 유명한 슈뢰딩거의 고양이와 비교됩니다. 이는 살아있는 것과 죽은 것의 미세한 중첩이며 실험적으로 달성하기가 거의 불가능합니다. 그러나 팀은 이러한 취약한 이중 펄스 케이스에 대해 정밀한 작업을 수행할 수 있었습니다.

이 출판물은 두 명의 석사 학생인 Stanislaw Korzina와 Marcin Yastrzebski, 두 명의 학부생 Bartosz Neault와 Jan이 참여하여 “양자 광학 기술” 센터의 양자 광학 장치 연구소 및 양자 메모리 연구소에서 작업한 결과입니다. 노보시엘스키 박사와 Mateusz Maslanyk, 그리고 실험실 책임자인 Michal Barniak 박사와 Wojciech Wasilewski 교수. 설명된 결과에 대해 Bartosz Neault는 최근 워싱턴주 스포케인에서 열린 DAMOP 컨퍼런스에서 보조금 프레젠테이션 상도 받았습니다.

통신에 직접 적용하기 전에 먼저 방법을 다른 파장 및 매개변수 범위에 매핑해야 합니다. 그러나 분수 푸리에 변환은 광 위성 링크를 포함한 현대 네트워크의 광 수신기에 매우 중요할 수 있습니다. 위스콘신 대학에서 개발된 양자 광 프로세서를 사용하면 이러한 새로운 프로토콜을 찾고 효율적인 방식으로 테스트할 수 있습니다.

참고 자료: Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic 및 Michal Barniak의 “시간-주파수 영역에서 광학 분수 푸리에 변환의 실험적 구현”, 2023년 6월 12일, 실제 검토 편지.
도이: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

“양자 광학 기술” 프로젝트(MAB/2018/4)는 폴란드 과학 재단의 국제 연구 의제 프로그램 내에서 구현되었으며 유럽 지역 개발 기금에 따라 유럽 연합이 공동 자금을 지원했습니다.