Студенты из Варшавы перевернули кота Шредингера с ног на голову
Преобразование Фурье — математическая операция, которая позволяет переходить от описания волны во времени к описанию ее спектра в частотах. Например, с помощью преобразования Фурье можно разделить полезный сигнал от шума, определить химический состав веществ или измерить скорость и расстояние до объектов.
Но что, если мы хотим перейти от времени к частотам не полностью, а частично? Тогда нам нужно дробное преобразование Фурье (ДПФ) — обобщение обычного преобразования Фурье, которое позволяет получить некоторое промежуточное представление волны между временем и частотой. Это может быть полезно для разных целей, например, для фильтрации шума, спектроскопии, телекоммуникации и распознавания образов.
ДПФ было введено еще в 1940-х годах, но не получило широкого признания в области обработки сигналов до 1990-х годов. С тех пор возрос интерес к расширению теоремы Шеннона о выборке для сигналов, которые ограничены по полосе в дробном фурье-пространстве. Это означает, что можно выбирать такие сигналы с меньшей частотой, чем обычно, не теряя информации.
Однако ДПФ не так просто реализовать на практике, особенно если речь идет о квантовых состояниях света. Квантовый свет — это свет, который рассматривается не как классическая волна, а как поток квантов — фотонов. Квантовый свет имеет такие свойства, как суперпозиция, запутанность и неопределенность, которые могут быть использованы для решения различных задач квантовой оптики и информатики.
Студенты факультета физики Варшавского университета (УВ) и исследователи из Центра квантовых оптических технологий (QOT) разработали новаторский метод, который позволяет выполнять ДПФ оптических импульсов с помощью квантовой памяти. Это достижение уникально в мировом масштабе, так как команда стала первой, которая продемонстрировала экспериментальную реализацию этого преобразования в такой системе.
Для того чтобы выполнить ДПФ оптических импульсов, студенты использовали двойной импульс — очень хрупкое состояние света, которое легко теряет свои квантовые свойства под влиянием внешних факторов. Поэтому его часто сравнивают со знаменитым котом Шрёдингера — макроскопической суперпозиции состояний «жив» и «мертв», которую почти невозможно достичь экспериментально.
Двойной импульс — суперпозиция двух импульсов разной длительности и частоты, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга во времени. Такой импульс можно представить как двух котов Шрёдингера, один из которых жив, а другой мертв. Если мы измерим длительность или частоту такого импульса, мы узнаем, какого кота мы наблюдаем — живого или мертвого. Но если мы не измеряем его, то кот находится в суперпозиции обоих состояний.
Для того, чтобы повернуть такой импульс в пространстве времени-частоты, то есть выполнить ДПФ, нужно использовать специальные оптические элементы — временные и частотные линзы. Они позволяют преобразовывать длительность импульса в его спектральное распределение, или наоборот, выполняя Фурье-преобразование в пространстве времени и частоты. Правильный выбор степеней таких линз позволяет выполнить ДПФ.
Временная линза — оптический элемент, который изменяет фазу света в зависимости от времени прихода фотонов. Частотная линза изменяет фазу света в зависимости от его частоты. Обе линзы можно реализовать с помощью нелинейных сред или модуляции интенсивности света.
Для обработки сигнала студенты использовали квантовую память — или точнее, память с возможностью обработки квантового света — на основе облака атомов рубидия, помещенных в магнито-оптическую ловушку. Атомы были охлаждены до температуры десятых долей миллионных градуса выше абсолютного нуля. Память была помещена в меняющееся магнитное поле, позволяющее хранить компоненты разных частот в разных частях облака. Импульс подвергался временной линзе при записи и чтении, а частотной линзе при хранении.
Устройство, разработанное в УВ, позволяет реализовывать такие линзы в очень широком диапазоне параметров и в программируемом режиме. Таким образом, оно может выполнять ДПФ оптических импульсов с любым углом поворота в пространстве времени-частоты.
Прежде чем применять метод в телекоммуникациях напрямую, необходимо сначала перенести его на другие длины волн и диапазоны параметров. Однако ДПФ может оказаться ключевым для оптических приемников в современных сетях, включая оптические спутниковые каналы. Квантовый процессор света, разработанный в УВ, позволяет находить и тестировать такие новые протоколы эффективным способом.
Но что, если мы хотим перейти от времени к частотам не полностью, а частично? Тогда нам нужно дробное преобразование Фурье (ДПФ) — обобщение обычного преобразования Фурье, которое позволяет получить некоторое промежуточное представление волны между временем и частотой. Это может быть полезно для разных целей, например, для фильтрации шума, спектроскопии, телекоммуникации и распознавания образов.
ДПФ было введено еще в 1940-х годах, но не получило широкого признания в области обработки сигналов до 1990-х годов. С тех пор возрос интерес к расширению теоремы Шеннона о выборке для сигналов, которые ограничены по полосе в дробном фурье-пространстве. Это означает, что можно выбирать такие сигналы с меньшей частотой, чем обычно, не теряя информации.
Однако ДПФ не так просто реализовать на практике, особенно если речь идет о квантовых состояниях света. Квантовый свет — это свет, который рассматривается не как классическая волна, а как поток квантов — фотонов. Квантовый свет имеет такие свойства, как суперпозиция, запутанность и неопределенность, которые могут быть использованы для решения различных задач квантовой оптики и информатики.
Студенты факультета физики Варшавского университета (УВ) и исследователи из Центра квантовых оптических технологий (QOT) разработали новаторский метод, который позволяет выполнять ДПФ оптических импульсов с помощью квантовой памяти. Это достижение уникально в мировом масштабе, так как команда стала первой, которая продемонстрировала экспериментальную реализацию этого преобразования в такой системе.
Как перевернуть кота Шрёдингера?
Для того чтобы выполнить ДПФ оптических импульсов, студенты использовали двойной импульс — очень хрупкое состояние света, которое легко теряет свои квантовые свойства под влиянием внешних факторов. Поэтому его часто сравнивают со знаменитым котом Шрёдингера — макроскопической суперпозиции состояний «жив» и «мертв», которую почти невозможно достичь экспериментально.
Двойной импульс — суперпозиция двух импульсов разной длительности и частоты, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга во времени. Такой импульс можно представить как двух котов Шрёдингера, один из которых жив, а другой мертв. Если мы измерим длительность или частоту такого импульса, мы узнаем, какого кота мы наблюдаем — живого или мертвого. Но если мы не измеряем его, то кот находится в суперпозиции обоих состояний.
Для того, чтобы повернуть такой импульс в пространстве времени-частоты, то есть выполнить ДПФ, нужно использовать специальные оптические элементы — временные и частотные линзы. Они позволяют преобразовывать длительность импульса в его спектральное распределение, или наоборот, выполняя Фурье-преобразование в пространстве времени и частоты. Правильный выбор степеней таких линз позволяет выполнить ДПФ.
Временная линза — оптический элемент, который изменяет фазу света в зависимости от времени прихода фотонов. Частотная линза изменяет фазу света в зависимости от его частоты. Обе линзы можно реализовать с помощью нелинейных сред или модуляции интенсивности света.
Для обработки сигнала студенты использовали квантовую память — или точнее, память с возможностью обработки квантового света — на основе облака атомов рубидия, помещенных в магнито-оптическую ловушку. Атомы были охлаждены до температуры десятых долей миллионных градуса выше абсолютного нуля. Память была помещена в меняющееся магнитное поле, позволяющее хранить компоненты разных частот в разных частях облака. Импульс подвергался временной линзе при записи и чтении, а частотной линзе при хранении.
Устройство, разработанное в УВ, позволяет реализовывать такие линзы в очень широком диапазоне параметров и в программируемом режиме. Таким образом, оно может выполнять ДПФ оптических импульсов с любым углом поворота в пространстве времени-частоты.
Прежде чем применять метод в телекоммуникациях напрямую, необходимо сначала перенести его на другие длины волн и диапазоны параметров. Однако ДПФ может оказаться ключевым для оптических приемников в современных сетях, включая оптические спутниковые каналы. Квантовый процессор света, разработанный в УВ, позволяет находить и тестировать такие новые протоколы эффективным способом.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...