ワルシャワ大学物理学科の研究者は、QOT 量子光学技術センターの専門家と協力して、量子メモリを使用して光パルスの分数フーリエ変換を可能にする革新的な技術を開発しました。この研究チームは、このようなシステムで上記の変換を実験的に達成した最初の研究者であるため、この成果は世界的にもユニークです。
研究結果は有名な雑誌「Physical Review Letters」に掲載された。研究では、学生たちは「シュレーディンガーの猫」状態としても知られる二重光パルスを使用した分数フーリエ変換の実装をテストしました。
波（光と同様）には、パルス持続時間と周波数（光の場合はその色に対応）という独自の特性があります。これらの特性は、時間の観点から波を記述することから周波数の観点から波のスペクトルを記述するフーリエ変換と呼ばれる操作を通じて相互に関連していることがわかります。
分数フーリエ変換は、波の時間部分の記述から波の周波数の記述への移行を可能にするフーリエ変換の一般化です。直観的には、これは、考慮中の信号の分布 (たとえば、時間周期ウィグナー関数) を時間周波数領域で特定の角度だけ回転させることとして理解できます。
このタイプの変換は、ノイズを除去するだけでなく、光の量子特性を利用して異なる周波数のパルスを従来の方法よりも正確に区別するアルゴリズムを作成する特別なスペクトル時間フィルターの設計に非常に役立つことが証明されています。これは、物質の化学的特性の研究に役立つ分光学や、高精度、高速の情報伝送と処理が必要な電気通信の分野で特に重要です。
通常のガラスレンズは、入射した単色光をほぼ点（焦点）に集めることができます。レンズへの光の入射角を変えると焦点の位置が変わります。これにより、入射角が位置に変換され、方向と位置空間で同様のフーリエ変換が得られます。回折格子に基づく古典的な分光計は、この効果を利用して光の波長情報を位置情報に変換し、スペクトル線を区別できるようにします。
ガラスレンズと同様に、時間および周波数レンズもパルスの持続時間をスペクトル分布に変換したり、時間および周波数空間で効果的にフーリエ変換を実行したりできます。このレンズのパワーを正しく選択することにより、フラクショナル フーリエ変換を実行できます。光パルスの場合、時間レンズと周波数レンズが信号の二次位相変換として機能します。
信号を処理するために研究者らは、磁気光学トラップ内に配置されたルビジウム原子の塊に基づく量子メモリ、より正確には量子光処理機能を備えたメモリを使用した。原子は指定された温度まで冷却されます。メモリは変化する磁場に置かれ、異なる周波数の成分を原子雲の異なる部分に保存できます。パルスは、書き込みおよび読み取り中に時間レンズ効果を受け、保存中に周波数レンズ効果を受けます。
ワシントン大学で開発されたデバイスは、非常に広範囲のパラメータにわたってこのようなレンズをプログラム可能に実装できます。ダブルパルスはデコヒーレンスを起こしやすいため、よく有名なシュレディンガーの猫と比較されます。これは死から蘇る巨視的な重ね合わせであり、実験的に達成することはほとんど不可能です。それにもかかわらず、チームはこれらの脆弱なダブルパルス状態を忠実に操作することができました。
この論文は、「量子光技術」センターの量子光デバイス研究室と量子メモリ研究室の研究の成果です。この研究には、スタニスワフ・クルジナ氏とマルシン・ヤストジェブスキー氏の2人の修士課程学生、バルトシュ・ニーヴェルト氏とヤン・ノウォシエルスキ氏の2人の学部生、マテウシュ・マゼラニク博士、そして研究室リーダーのミハル・パルニアック博士とヴォイチェフ・ワシレフスキー教授がこの研究に参加した。これらの功績により、BartoszNiewelt 氏はワシントン州スポケーンで開催された最近の DAMOP カンファレンスでも講演助成賞を受賞しました。
この方法は、電気通信分野に直接適用する前に、まず他の波長およびパラメータ範囲にマッピングする必要があります。ただし、フラクショナル フーリエ変換は、光衛星リンクを含む最先端のネットワークの光受信機にとって非常に重要です。ワシントン大学で開発された量子光プロセッサは、この新しいプロトコルを効率的に見つけてテストできます。