Fizikçiler Schrödinger’in kedisini ters çevirdi

Varşova Üniversitesi Fizik Fakültesi’nden araştırmacılar, QOT Kuantum Optik Teknolojileri Merkezi’nden uzmanlarla işbirliği içinde, kuantum belleği kullanarak optik darbelerin fraksiyonel Fourier dönüşümünün gerçekleştirilmesine olanak tanıyan yenilikçi bir teknoloji yarattı.

Bu başarı küresel düzeyde benzersizdir, çünkü ekip bu tür bir sistemde yukarıda bahsedilen dönüşümün deneysel uygulamasını sunan ilk kişi olmuştur. Araştırma sonuçları prestijli dergide yayınlandı Fiziksel inceleme mektupları. Öğrenciler, çalışmalarında, “Schrödinger’in kedisi” koşulu olarak da bilinen çift optik darbe kullanarak kesirli Fourier dönüşümünün uygulanmasını test ettiler.

Darbe spektrumu ve zaman dağılımı

Işık gibi dalgaların da kendi karakteristik özellikleri vardır – darbenin süresi ve frekansı (ışık durumunda rengine karşılık gelir). Bu özelliklerin Fourier dönüşümü adı verilen bir süreç yoluyla birbirleriyle ilişkili olduğu ortaya çıktı; bu, bir dalgayı zaman içinde tanımlamaktan onun spektrumunu frekanslarda tanımlamaya geçişi mümkün kılıyor.

Kesirli Fourier dönüşümü, zamandaki bir dalganın tanımından frekanstaki bir açıklamaya kısmi geçişe izin veren Fourier dönüşümünün bir genellemesidir. Sezgisel olarak, incelenen sinyalin bir dağılımının (örneğin Wigner zaman toroid fonksiyonu) zaman-frekans alanında belirli bir açıda dönmesi olarak anlaşılabilir.

Laboratuvardaki öğrenciler Schrödinger’in kedisinin durumlarının dönüşünü gösteriyorlar. Proje sırasında hiçbir gerçek kedi yaralanmadı. Kaynak: S. Korzina ve B. Neault, Varşova Üniversitesi

Bu tür dönüşümlerin, gürültüyü ortadan kaldırmak ve farklı frekanslardaki darbeleri geleneksel yöntemlere göre daha kesin bir şekilde ayırt etmek için ışığın kuantum doğasını kullanmayı mümkün kılan algoritmaların oluşturulmasını mümkün kılan özel spektral ve zamansal filtrelerin tasarlanmasında son derece yararlı olduğu ortaya çıktı. Bu, özellikle maddenin kimyasal özelliklerinin incelenmesine yardımcı olan spektroskopide ve bilginin yüksek doğruluk ve hızda iletilmesini ve işlenmesini gerektiren telekomünikasyonda önemlidir.

Lensler ve Fourier dönüşümü?

Sıradan bir cam mercek, üzerine düşen tek renkli ışık ışınını yaklaşık olarak tek bir noktaya (odak) odaklayabilir. Objektife düşen ışığın açısının değiştirilmesi odak konumunu değiştirir. Bu, yönler ve konumlar uzayında bir Fourier dönüşümü analojisi elde ederek geliş açılarını konumlara dönüştürmemize olanak tanır. Klasik kırınım ızgarası tabanlı spektrograflar, ışığın dalga boyu bilgisini konumlara dönüştürmek için bu etkiyi kullanarak spektral çizgileri ayırt etmemizi sağlar.

Zaman ve frekans mercekleri

Bir cam merceğe benzer şekilde, zaman-frekans mercekleri, darbe süresinin spektral dağılımına dönüştürülmesine veya etkili bir şekilde frekans uzay-zamanında bir Fourier dönüşümü gerçekleştirilmesine olanak tanır. Bu merceklerin güçlerinin doğru seçilmesi kesirli Fourier dönüşümünün gerçekleştirilmesini mümkün kılar. Optik darbeler durumunda, zaman ve frekans merceklerinin etkisi, ikinci dereceden aşamaların sinyale uygulanmasına karşılık gelir.

Sinyali işlemek için araştırmacılar, manyeto-optik bir tuzağa yerleştirilmiş rubidyum atomlarından oluşan bir bulutu temel alan bir kuantum hafızası (veya daha doğrusu kuantum ışık işleme yetenekleriyle donatılmış bir hafıza) kullandılar. Atomlar on milyonlarca derecenin üzerindeki bir sıcaklığa kadar soğutuldu. Tamamen sıfır. Bellek, değişken bir manyetik alana yerleştirilerek farklı frekanslardaki bileşenlerin bulutun farklı kısımlarında saklanmasına olanak tanır. Darbe, yazma ve okuma sırasında bir zaman merceğine ve depolama sırasında bir frekans merceğine tabi tutuldu.

Wisconsin Üniversitesi’nde geliştirilen cihaz, bu tür merceklerin çok geniş bir parametre yelpazesinde ve programlanabilir bir şekilde uygulanmasına olanak sağlıyor. Çift nabız, eşevresizliğe karşı çok hassastır ve bu nedenle sıklıkla ünlü Schrödinger’in kedisiyle karşılaştırılır; canlı ve ölü olmanın mikroskobik bir süperpozisyonu, deneysel olarak elde edilmesi neredeyse imkansızdır. Ancak ekip bu kırılgan çift darbeli kasalar üzerinde hassas operasyonlar gerçekleştirmeyi başardı.

Yayın, iki yüksek lisans öğrencisi Stanislaw Korzina ve Marcin Yastrzebski, iki lisans öğrencisi Bartosz Neault ve Jan’ın katılımıyla “Kuantum Optik Teknolojileri” Merkezindeki Kuantum Optik Cihazlar Laboratuvarı ve Kuantum Bellek Laboratuvarı’ndaki çalışmaların sonucuydu. Novosielski ve Dr. Mateusz Maslanyk ve laboratuvar başkanları Dr. Michal Barniak ve Profesör Wojciech Wasilewski katıldı. Açıklanan sonuçlar için Bartosz Neault ayrıca Spokane, Washington’daki son DAMOP konferansında bir hibe sunum ödülü aldı.

İletişimde doğrudan uygulamadan önce, yöntemin ilk olarak diğer dalga boylarına ve parametre aralıklarına eşlenmesi gerekir. Ancak fraksiyonel Fourier dönüşümü, optik uydu bağlantıları da dahil olmak üzere modern ağlardaki optik alıcılar için çok önemli olabilir. Wisconsin Üniversitesi’nde geliştirilen bir kuantum ışık işlemcisi, bu tür yeni protokollerin bulunmasını ve bunların verimli bir şekilde test edilmesini mümkün kılıyor.

Referanslar: Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic ve Michal Barniak, “Zaman-frekans alanında optik fraksiyonel Fourier dönüşümünün deneysel uygulaması”, 12 Haziran 2023, Fiziksel inceleme mektupları.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

“Kuantum Optik Teknolojileri” (MAB/2018/4) projesi, Polonya Bilim Vakfı’nın Uluslararası Araştırma Gündemleri Programı kapsamında uygulanmakta ve Avrupa Bölgesel Kalkınma Fonu çerçevesinde Avrupa Birliği tarafından ortak finanse edilmektedir.