Los físicos invierten el gato de Schrödinger

Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, en colaboración con expertos del Centro QOT de Tecnologías Ópticas Cuánticas, han sido pioneros en una técnica innovadora que permite realizar la transformada fraccionada de Fourier de pulsos ópticos utilizando memoria cuántica.

Este logro es único a escala global, ya que el equipo fue el primero en presentar una implementación experimental de tal transformación en este tipo de sistema. Los resultados de la investigación fueron publicados en la prestigiosa revista Cartas de revisión física. En su trabajo, los estudiantes probaron la implementación de la transformada fraccionada de Fourier utilizando un pulso óptico doble, también conocido como el estado del «gato de Schrödinger».

El espectro del pulso y la distribución temporal.

Las ondas, como la luz, tienen sus propiedades características: duración y frecuencia del pulso (correspondiente, en el caso de la luz, a su color). Resulta que estas características están unidas entre sí mediante una operación llamada Transformada de Fourier, que permite pasar de la descripción de una onda en el tiempo a la descripción de su espectro en frecuencias.

La Transformada Fraccionada de Fourier es una generalización de la Transformada de Fourier que permite una transición parcial de una descripción de una onda en el tiempo a una descripción en frecuencia. Intuitivamente, puede entenderse como una rotación de una distribución (por ejemplo, la función cronocíclica de Wigner) de la señal considerada en un cierto ángulo en el dominio del tiempo-frecuencia.

Los estudiantes en el laboratorio presentan la rotación de estados del gato de Schrödinger. Ningún gato real resultó herido durante el proyecto. Crédito: S. Kurzyna y B. Niewelt, Universidad de Varsovia

Resulta que las transformadas de este tipo son excepcionalmente útiles para diseñar filtros espectral-temporales especiales para eliminar el ruido y permitir la creación de algoritmos que exploten la naturaleza cuántica de la luz para distinguir pulsos de diferentes frecuencias con mayor precisión que los métodos tradicionales. Esto es especialmente importante en espectroscopia, que ayuda a estudiar las propiedades químicas de la materia, y en telecomunicaciones, que requieren transmitir y procesar información con alta precisión y velocidad.

¿Lentes y transformada de Fourier?

Una lente de vidrio común es capaz de enfocar un haz de luz monocromático que incide sobre ella casi en un solo punto (enfoque). Cambiar el ángulo de incidencia de la luz sobre la lente provoca un cambio en la posición del foco. Esto nos permite convertir ángulos de incidencia en posiciones, obteniendo la analogía de la Transformada de Fourier, en el espacio de direcciones y posiciones. Un espectrómetro clásico basado en una rejilla de difracción aprovecha este efecto para convertir información sobre la longitud de onda de la luz en posiciones, lo que nos permite distinguir entre líneas espectrales.

Lentes de tiempo y frecuencia.

De manera similar a la lente de vidrio, las lentes de tiempo y frecuencia permiten convertir la duración de un pulso en su distribución espectral o, de hecho, realizar una transformada de Fourier en el espacio de tiempo y frecuencia. La selección correcta de las potencias de dichas lentes le permite realizar una transformada fraccionada de Fourier. En el caso de los pulsos ópticos, la acción de las lentes de tiempo y frecuencia corresponde a la aplicación de fases cuadráticas a la señal.

Para procesar la señal, los investigadores utilizaron una memoria cuántica (o más precisamente, una memoria con capacidad de procesamiento cuántico de luz) basada en una nube de átomos de rubidio colocados en una trampa magnetoóptica. Los átomos se enfriaron a una temperatura decenas de millones de grados más alta. cero absoluto. La memoria se colocó en un campo magnético cambiante, lo que permitió almacenar componentes de diferentes frecuencias en diferentes partes de la nube. El pulso fue sometido a una lente temporal durante la escritura y la lectura, mientras que una lente de frecuencia actuó sobre él durante el almacenamiento.

El dispositivo desarrollado en la Universidad de Washington permite la implementación de dichos objetivos en una gama muy amplia de parámetros y de forma programable. Un doble pulso es muy propenso a la decoherencia, por lo que a menudo se lo compara con el famoso gato de Schrödinger: una superposición macroscópica de estar vivo y muerto, casi imposible de obtener experimentalmente. Sin embargo, el equipo pudo implementar operaciones fieles en esos frágiles estados de doble pulso.

La publicación es el resultado del trabajo del Laboratorio de Dispositivos Ópticos Cuánticos y el Laboratorio de Memoria Cuántica del centro “Tecnologías Ópticas Cuánticas” con la participación de dos estudiantes de maestría: Stanislaw Kurzyna y Marcin Jastrzebski, dos estudiantes universitarios Bartosz Niewelt y Jan Nowosielski, el Dr. Mateusz Mazelanik y los jefes de laboratorio, el Dr. Michal Parniak y el Prof. Wojciech Wasilewski. Por los resultados descritos, Bartosz Niewelt también recibió un premio a la presentación en la reciente conferencia DAMOP en Spokane, WA.

Antes de su aplicación directa en telecomunicaciones, el método primero debe asignarse a otras longitudes de onda y rangos de parámetros. Sin embargo, la transformada fraccionaria de Fourier podría resultar crucial para los receptores ópticos en redes de última generación, incluidos los enlaces ópticos por satélite. Un procesador de luz cuántica desarrollado en la Universidad de Washington permite encontrar y probar estos nuevos protocolos de manera eficiente.

Bibliografía: “Implementación experimental de la transformada óptica fraccional de Fourier en el dominio tiempo-frecuencia” por Bartosz Niewelt, Marcin Jastrzębski, Stanisław Kurzyna, Jan Nowosielski, Wojciech Wasilewski, Mateusz Mazelanik y Michał Parniak, 12 de junio de 2023, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

El proyecto “Tecnologías ópticas cuánticas” (MAB/2018/4) se implementa dentro del programa Agendas Internacionales de Investigación de la Fundación Científica Polaca cofinanciado por la Unión Europea en el marco del Fondo Europeo de Desarrollo Regional.