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
Раскрыта главная тайна антарктического льда: ученые узнали, как и кем была взломана природная защита Шестого континента
Похоже, той Антарктиде, которую мы знаем, приходит конец. Впрочем, это не точно...
Древнеримский артефакт переписывает историю Америки: Колумб был не первым?
Почему находка из индейской могилы почти 100 лет вызывает ожесточенные споры среди археологов и историков?...
Тайна гибели сибирского «Титаника»: почему некоторые детали катастрофы 1921 года неизвестны даже сейчас?
Поразительно, но тогда судьи единогласно оправдали капитана парохода. Так кто же тогда был виновником этого страшного происшествия?...
Еще раз об убийстве Андрея Боголюбского: что рассказали кости погибшего князя?
Профессор судебной медицины поправил историков и выявил неточности древних летописей...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены. Часть 2. Расплата
Как наука отменила срок давности у преступления? И какая тайна осталась не раскрытой?...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены
Как новейшие технологии помогли сдвинуть с места нераскрываемое дело...
Главный секрет человеческого дыхания: ученые рассказали, почему мы дышим «вахтовым методом»
Эксперты предупреждают: из-за особенности организма многие люди не смогут попасть в космос. Но решение все-таки есть...
Жители Анд переписали свою ДНК: почему горные индейцы пьют ядовитую воду, но чувствуют себя при этом хорошо?
По словам ученых, эволюция сделала красивый и хитрый ход. И это не иммунитет к токсинам, а нечто другое, более интересное...
43 000 черепков открыли тысячелетние тайны Древнего Египта
Почему глиняная библиотека Атрибиса потрясла весь археологический мир?...
Ядерный взрыв на Луне: для чего советские ученые хотели провести такой грандиозный эксперимент?
Зачем России атомный реактор на Луне и как он поможет нам добраться до Венеры?...
Почему эти меры не спасут Антарктиду: пять проектов по спасению ледников оказались провалом
Эксперт жестко проанализировал самые популярные программы по сохранению льда на Шестом континенте. Увы, они оказались невыполнимой фантастикой, причем опасно...