Fisikawan membalikkan kepala kucing Schrödinger

Para peneliti dari Fakultas Fisika Universitas Warsawa, bekerja sama dengan para ahli dari QOT Center for Quantum Optical Technologies, telah menciptakan teknik inovatif yang memungkinkan untuk melakukan transformasi parsial pulsa cahaya Fourier menggunakan memori kuantum.

Pencapaian ini unik dalam skala global, karena tim ini merupakan tim pertama yang memberikan aplikasi eksperimental transformasi tersebut dalam sistem jenis ini. Hasil penelitiannya dipublikasikan di jurnal bergengsi Surat ulasan fisik. Dalam karyanya, para siswa menguji implementasi transformasi Fourier parsial menggunakan pulsa optik ganda, yang juga dikenal sebagai kondisi “kucing Schrödinger”.

Spektrum pulsa dan distribusi waktu

Gelombang, seperti halnya cahaya, mempunyai ciri khasnya sendiri—durasi denyut dan frekuensinya (dalam kasus cahaya, sesuai dengan warnanya). Ternyata sifat-sifat ini saling berhubungan melalui proses yang disebut transformasi Fourier, yang memungkinkan kita beralih dari mendeskripsikan gelombang dalam waktu ke mendeskripsikan spektrumnya dalam frekuensi.

Transformasi Fourier pecahan adalah generalisasi transformasi Fourier yang membolehkan peralihan separa dari menggambarkan gelombang dalam masa ke menggambarkan frekuensi. Secara intuitif, ini dapat dipahami sebagai rotasi suatu distribusi (misalnya, fungsi Wigner siklus waktu) dari sinyal yang dipelajari dengan sudut tertentu dalam domain frekuensi waktu.

Siswa di laboratorium mendemonstrasikan rotasi keadaan kucing Schrödinger. Tidak ada kucing sungguhan yang terluka selama proyek ini. Sumber: S. Corzyna b. Neault, Universitas Warsawa

Transformasi semacam ini ternyata sangat berguna dalam merancang filter spektral dan temporal khusus untuk menghilangkan noise dan memungkinkan pembuatan algoritme yang memungkinkan penggunaan sifat kuantum cahaya untuk membedakan pulsa frekuensi berbeda dengan lebih akurat dibandingkan dengan metode konvensional. . Hal ini sangat penting dalam spektroskopi, yang membantu mempelajari sifat kimia suatu materi, dan dalam telekomunikasi, yang memerlukan transmisi dan pemrosesan informasi dengan akurasi dan kecepatan tinggi.

Lensa dan Transformasi Fourier?

Lensa kaca biasa mampu memfokuskan berkas cahaya monokromatik yang jatuh padanya hampir pada satu titik (fokus). Mengubah sudut cahaya yang jatuh pada lensa akan mengubah posisi fokus. Hal ini memungkinkan kita untuk mengubah sudut datang menjadi posisi, memperoleh analogi transformasi Fourier, dalam arah dan posisi ruang. Spektrometer kisi difraksi klasik menggunakan efek ini untuk mengubah informasi panjang gelombang cahaya menjadi lokasi, sehingga memungkinkan kita membedakan garis spektrum.

Lensa waktu dan frekuensi

Mirip dengan lensa kaca, lensa frekuensi waktu memungkinkan durasi pulsa diubah menjadi distribusi spektralnya, atau secara efektif, untuk melakukan transformasi Fourier dalam waktu frekuensi ruang. Pemilihan kekuatan lensa yang tepat memungkinkan dilakukannya transformasi Fourier pecahan. Dalam kasus pulsa optik, tindakan pelensaan frekuensi waktu berhubungan dengan penerapan fase kuadrat pada sinyal.

Untuk memproses sinyal, para peneliti menggunakan memori kuantum – atau lebih tepatnya memori yang dilengkapi dengan kemampuan pemrosesan cahaya kuantum – berdasarkan awan atom rubidium yang ditempatkan dalam perangkap magneto-optik. Atom-atom didinginkan hingga suhu puluhan juta derajat di atas nol mutlak. Memori ditempatkan dalam medan magnet yang berubah, memungkinkan komponen dengan frekuensi berbeda disimpan di berbagai bagian cloud. Denyut nadi dikenakan lensa waktu selama menulis dan membaca, dan lensa frekuensi selama penyimpanan.

Perangkat yang dikembangkan di University of Wisconsin memungkinkan lensa tersebut diimplementasikan pada rentang parameter yang sangat luas dan dengan cara yang dapat diprogram. Denyut ganda sangat rentan terhadap dekoherensi, oleh karena itu sering dibandingkan dengan kucing Schrödinger yang terkenal – superposisi mikroskopis alam semesta mati dan hidup, yang hampir mustahil dicapai secara eksperimental. Namun, tim mampu melakukan operasi yang tepat pada kasus-kasus pulsa ganda yang rapuh ini.

Publikasi ini merupakan hasil kerja di Quantum Optical Devices Laboratory dan Quantum Memory Laboratory di Center for Quantum Optical Technologies dengan partisipasi dua mahasiswa master: Stanislav Korzyna dan Marcin Jastrzebski, dua mahasiswa sarjana Bartosz Neult dan Jan Novosielski, dan Dr. Mateusz Mazlanek, dan kepala laboratorium, Dr. Michal Barniak dan Profesor Wojciech Vasilevski. Atas hasil yang dijelaskan, Bartosz Neolt juga dianugerahi Hibah Presentasi pada konferensi DAMOP baru-baru ini di Spokane, Washington.

Sebelum diterapkan langsung dalam komunikasi, metode tersebut harus dipetakan terlebih dahulu ke panjang gelombang dan rentang parameter lainnya. Namun, transformasi Fourier parsial dapat menjadi penting untuk penerima optik dalam jaringan modern, termasuk sambungan satelit optik. Prosesor cahaya kuantum yang dikembangkan di University of Wisconsin memungkinkan untuk menemukan dan menguji protokol baru tersebut dengan cara yang efisien.

Referensi: “Implementasi Eksperimental Transformasi Fourier Fraksional Optik dalam Domain Frekuensi-Waktu” oleh Bartosz Neulte, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novosilski, Wojciech Vasilewski, Mateusz Mazelanek, dan Michal Barniak, 12 Juni 2023, Tersedia di sini. Surat ulasan fisik.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Proyek “Teknologi Optik Quantum” (MAB/2018/4) dilaksanakan dalam Program Agenda Penelitian Internasional dari Yayasan Sains Polandia yang dibiayai bersama oleh Uni Eropa di bawah Dana Pembangunan Regional Eropa.