محققان موفق به چرخش گربه شرودینگر شدند

محققان موفق به تبدیل فوریه کسری با استفاده از یک پالس نوری دوگانه که به عنوان حالت «گربه شرودینگر» نیز شناخته می‌شود، شدند. با دیپ لوک همراه باشید…

دانشجویان دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو (UW) و محققان مرکز QOT، فناوری‌های اپتیکی کوانتومی، روش نوآورانه‌­ای توسعه داده اند که انجام تبدیل فوریه کسری (fractional Fourier Transform) پالس‌های نوری با استفاده از یک حافظه کوانتومی را ممکن می کند. این نتیجه، یک دستاورد منحصر به فرد در سطح جهانی است، زیرا این تیم برای اولین بار تحقق آزمایشگاهی تبدیل مذکور را در این نوع سیستم ارائه کرده است. نتایج این تحقیق در مجله Physical Review Letters منتشر شد.

طیف پالس و توزیع زمانی

امواج، مانند نور، خواص مشخصه خود را دارند؛ مثلاً مدت زمان و فرکانس پالس (به طور متناظر، در مورد نور، رنگ آن). به نظر می‌­رسد که این ­خواص توسط عملی به نام تبدیل فوریه به یکدیگر مرتبط می‌­شوند که می‌تواند توصیف یک موج در زمان را به توصیف طیف آن در فرکانس­‌ها امکان‌پذیر کند.

تبدیل فوریه کسری تعمیمی از تبدیل فوریه است که تبدیل جزئی توصیف یک موج در زمان به توصیف آن در فرکانس را امکان‌پذیر می­‌کند و به طور شهودی می‌توان آن را به صورت چرخش توزیع سیگنال مورد بررسی، تحت یک زاویه معین در حوزه زمان-فرکانس تصور کرد.

به نظر می‌رسد که تبدیل‌هایی از این نوع، در طراحی فیلترهای طیفی-زمانی ویژه برای حذف نویز و ایجاد الگوریتم‌ها مفید هستند؛ الگوریتم­‌هایی که از ماهیت کوانتومی نور را برای تمییز دادن دقیق‌تر پالس‌های با فرکانس‌های مختلف استفاده کرده و نسبت به رویکردهای مرسوم بهتر عمل می‌کنند. این امر به ویژه در طیف‌سنجی که به مطالعه خواص شیمیایی ماده کمک می‌کند و در مخابرات که نیازمند انتقال و پردازش اطلاعات با دقت و سرعت بالاست، اهمیت دارد.

یک عدسی شیشه‌­ای معمولی قادر است یک پرتوی تک‌رنگ نوری که روی آن می­‌تابد را تقریبا بر روی یک نقطه متمرکز (فوکوس) کند. تغییر زاویه تابش نور بر روی عدسی منجر به تغییر موقعیت فوکوس می‌­شود. این امر به ما امکان می‌دهد تا زوایای تابش را به موقعیت­‌ها تبدیل کنیم و همتایی از تبدیل فوریه در فضای جهت­‌ها و موقعیت­‌ها را بدست آوریم. یک طیف‌سنج کلاسیک مبتنی بر توری پراش، از این اثر برای تبدیل اطلاعات طول موج نور به موقعیت‌ها استفاده کرده و تمییز دادن خطوط طیفی را ممکن می‌سازد.

عدسی­‌های زمان و فرکانس

مشابه یک عدسی شیشه‌­ای، عدسی­‌های زمان و فرکانس امکان تبدیل توزیع مدت زمان یک پالس را به توزیع طیفی آن، یا به طور مؤثر، اجرای تبدیل فوریه در فضای زمان و فرکانس را فراهم می­‌کنند. انتخاب درست قدرت چنین عدسی‌­هایی  انجام تبدیل فوریه کسری را امکان‌پذیر می‌­کند. در مورد پالس‌­های نوری، عمل عدسی‌­های زمان و فرکانس متناظر با اِعمال فازهای درجه دوم به سیگنال می‌­باشد.

محققان برای پردازش سیگنال، از یک حافظه کوانتومی – یا به طور دقیق­‌تر، یک حافظه مجهز به قابلیت پردازش نور کوانتومی – مبتنی بر اَبری از اتم‌­های روبیدیم استفاده کردند که در یک تله مغناطیسی-اپتیکی قرار گرفته بود. اتم‌­ها تا دمای یک دهم‌ میلیون درجه بالاتر از صفر مطلق (۴۲ میکروکلوین) سرد شدند. حافظه در یک میدان مغناطیسی متغیر قرار داده شد و به عناصری از فرکانس­‌های مختلف اجازه می‌داد در قسمت‌­های مختلف ابر ذخیره شوند. پالس در حین نوشتن و خواندن در معرض یک عدسی زمان قرار می‌گرفت و یک عدسی فرکانس در حین ذخیره‌سازی روی آن عمل می‌کرد.

دستگاه توسعه یافته در UW امکان پیاد‌ه‌سازی چنین عدسی­‌هایی را در طیف وسیعی از پارامترها و به روشی قابل برنامه‌ریزی فراهم می­‌کند. یک پالس‌ دوگانه، مستعد واهمدوسی (decoherence) است، از این رو غالبا با گربه شرودینگر مشهور مقایسه می‌شود: یک برهم‌نهی ماکروسکوپی از زنده و مرده بودن که دسترسی تجربی به آن تقریبا غیرممکن است. با این حال، این تیم موفق به اجرای اَعمال دقیق بر روی این حالت­‌های شکننده دو پالسی شد.

این روش قبل از کاربرد مستقیم در مخابرات، ابتدا باید به سایر طول موج‌­ها و محدوده‌­های پارامترها تعمیم یابد. با این حال، تبدیل فوریه کسری می‌تواند برای گیرنده‌های نوری در شبکه‌های پیشرفته، از جمله پیوندهای ماهواره‌ای نوری، حیاتی باشد. یک پردازنده نور کوانتومی توسعه یافته در UW، یافتن و آزمایش چنین پروتکل‌­های جدیدی را به روشی کارآمد ممکن می‌سازد.

منبع : phys.org