Les chercheurs ont développé une méthode révolutionnaire pour effectuer la transformée de Fourier fractionnaire d’impulsions optiques à l’aide de la mémoire quantique. Cette réalisation unique impliquait la mise en œuvre de la transformation sur un état de « chat de Schrödinger », ayant des applications potentielles dans les télécommunications et la spectroscopie.
Des chercheurs de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie, en collaboration avec des experts du Centre QOT pour les technologies optiques quantiques, ont mis au point une technique innovante qui permet d’effectuer la transformée de Fourier fractionnaire des impulsions optiques à l’aide de la mémoire quantique.
Cette réalisation est unique à l’échelle mondiale, puisque l’équipe a été la première à présenter une mise en œuvre expérimentale de ladite transformation dans ce type de système. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la prestigieuse revue Lettres d’examen physique. Dans leurs travaux, les étudiants ont testé la mise en œuvre de la transformée de Fourier fractionnaire à l’aide d’une double impulsion optique, également connue sous le nom d’état de « chat de Schrödinger ».
Le spectre de l’impulsion et la distribution temporelle
Les ondes, comme la lumière, ont leurs propres propriétés caractéristiques : durée et fréquence des impulsions (correspondant, dans le cas de la lumière, à sa couleur). Il s’avère que ces caractéristiques sont liées entre elles par une opération appelée transformée de Fourier, qui permet de passer de la description d’une onde en temps à la description de son spectre en fréquences.
La transformée de Fourier fractionnaire est une généralisation de la transformée de Fourier qui permet un passage partiel d’une description d’une onde en temps à une description en fréquence. Intuitivement, cela peut être compris comme une rotation d’une distribution (par exemple, la fonction chronocyclique de Wigner) du signal considéré d’un certain angle dans le domaine temps-fréquence.
Étudiants en laboratoire présentant la rotation des états du chat de Schrödinger. Aucun chat n’a été blessé pendant le projet. Crédit : S. Kurzyna et B. Niewelt, Université de Varsovie
Il s’avère que les transformées de ce type sont exceptionnellement utiles dans la conception de filtres spectraux-temporels spéciaux pour éliminer le bruit et permettre la création d’algorithmes permettant d’utiliser la nature quantique de la lumière pour distinguer les impulsions de différentes fréquences plus précisément que les méthodes traditionnelles. méthodes. Ceci est particulièrement important en spectroscopie, qui permet d’étudier les propriétés chimiques de la matière, et en télécommunications, qui nécessitent la transmission et le traitement d’informations avec une grande précision et rapidité.
Les lentilles et la transformée de Fourier ?
Une lentille en verre ordinaire est capable de focaliser un faisceau de lumière monochromatique tombant sur elle vers presque un seul point (foyer). La modification de l’angle d’incidence de la lumière sur l’objectif entraîne un changement de la position du foyer. Cela nous permet de convertir les angles d’incidence en positions, en obtenant l’analogie de la transformée de Fourier, dans l’espace des directions et des positions. Un spectromètre classique basé sur un réseau de diffraction utilise cet effet pour convertir les informations de longueur d’onde de la lumière en positions, nous permettant ainsi de distinguer les raies spectrales.
Lentilles temporelles et fréquentielles
À l’instar de la lentille en verre, les lentilles temporelles et fréquentielles permettent la conversion de la durée d’une impulsion en sa distribution spectrale, ou effectivement, effectuent une transformée de Fourier dans l’espace temps et fréquence. La bonne sélection des puissances de telles lentilles permet d’effectuer une transformée de Fourier fractionnaire. Dans le cas des impulsions optiques, l’action des lentilles temporelles et fréquentielles correspond à l’application de phases quadratiques au signal.
Pour traiter le signal, les chercheurs ont utilisé une mémoire quantique — ou plus précisément une mémoire dotée de capacités de traitement quantique de la lumière — basée sur un nuage d’atomes de rubidium placé dans un piège magnéto-optique. Les atomes ont été refroidis à une température de plusieurs dixièmes de millions de degrés au-dessus zéro absolu. La mémoire a été placée dans un champ magnétique changeant, permettant de stocker des composants de différentes fréquences dans différentes parties du nuage. L’impulsion était soumise à une lentille temporelle pendant l’écriture et la lecture, et une lentille fréquentielle agissait sur elle pendant le stockage.
Le dispositif développé à l’UW permet la mise en œuvre de telles lentilles sur une très large gamme de paramètres et de manière programmable. Une double impulsion est très sujette à la décohérence, c’est pourquoi elle est souvent comparée au célèbre chat de Schrödinger – une superposition macroscopique d’être mort et vivant, presque impossible à réaliser expérimentalement. L’équipe a néanmoins pu mettre en œuvre des opérations fidèles sur ces États fragiles à double impulsion.
La publication est le résultat du travail du Laboratoire de Dispositifs Optiques Quantiques et du Laboratoire de Mémoire Quantique du centre « Technologies Optiques Quantiques » avec la participation de deux étudiants de maîtrise : Stanislaw Kurzyna et Marcin Jastrzebski, deux étudiants de premier cycle Bartosz Niewelt et Jan Nowosielski, Dr. Mateusz Mazelanik et les chefs de laboratoire, le Dr Michal Parniak et le professeur Wojciech Wasilewski. Pour les résultats décrits, Bartosz Niewelt a également reçu une bourse de présentation lors de la récente conférence DAMOP à Spokane, WA.
Avant une application directe dans les télécommunications, la méthode doit d’abord être mappée sur d’autres longueurs d’onde et plages de paramètres. La transformée de Fourier fractionnaire pourrait cependant s’avérer cruciale pour les récepteurs optiques des réseaux de pointe, y compris les liaisons optiques par satellite. Un processeur de lumière quantique développé à l’UW permet de trouver et de tester efficacement de tels nouveaux protocoles.
Le projet « Technologies optiques quantiques » (MAB/2018/4) est réalisé dans le cadre du programme International Research Agendas de la Fondation pour la science polonaise cofinancé par l’Union européenne dans le cadre du Fonds européen de développement régional.
