利用量子存储器对光脉冲进行分数傅里叶变换

日前，华沙大学物理系的研究人员与QOT量子光学技术中心的专家合作，开创了一种创新技术，可以利用量子存储器对光脉冲进行分数傅里叶变换。这项成果在全球范围内都是独一无二的，因为该团队是第一个在此类系统中实验实现上述变换的团队。 Z
@x&  
n2-+.9cY  
研究成果发表在著名期刊《物理评论快报》上。在工作中，学生们使用双光脉冲（也称为"薛定谔的猫"状态）测试了分数傅里叶变换的实现。 YWd2bRb  
EI?8/c  
波（如光）有其自身的特性--脉冲持续时间和频率（在光的情况下，与它的颜色相对应）。事实证明，这些特性通过一种名为傅里叶变换的运算相互关联，从而可以从以时间来描述波转换为以频率来描述波谱。 "]p
&7  
kR^">s/H#  
分数傅里叶变换是傅里叶变换的一种概括，它允许从描述波的时间部分过渡到描述波的频率。直观地说，它可以理解为在时频域中将所考虑信号的分布（例如，时周期维格纳函数）旋转一定角度。 OMmfTlM%  
}m?Ut|  
z<!A;.iD  
事实证明，这种类型的变换在设计特殊的光谱-时间滤波器方面非常有用，不仅可以消除噪音还能创建算法，利用光的量子特性比传统方法更精确地区分不同频率的脉冲。这在有助于研究物质化学性质的光谱学和需要高精度、高速度传输和处理信息的电信领域尤为重要。 Bc
pbS%S  
G8w@C
 
普通玻璃透镜能够将落在其上的单色光束聚焦到几乎一个点（焦点）。改变光在透镜上的入射角，就会改变焦点的位置。这样就可以将入射角转换成位置，在方向和位置空间中获得类似的傅立叶变换。基于衍射光栅的经典光谱仪利用这种效应将光的波长信息转换为位置信息，使我们能够区分光谱线。 &I)tI^P}  
C_ d|2C6  
与玻璃透镜类似，时间和频率透镜也可以将脉冲的持续时间转换为光谱分布，或者有效地在时间和频率空间中进行傅立叶变换。正确选择这种透镜的功率，就可以进行分数傅里叶变换。在光脉冲的情况下，时间和频率透镜的作用相当于对信号进行二次相位变换。 lU=VCuW!  
+?3RC$jyw  
为了处理信号，研究人员使用了一种量子存储器--或者更准确地说，是一种具备量子光处理能力的存储器--它的基础是放置在磁光陷阱中的一团铷原子。原子被冷却到指定温度。该存储器被放置在一个不断变化的磁场中，从而可以将不同频率的成分存储在原子云的不同部分。脉冲在写入和读取过程中受到时间透镜的作用，在存储过程中受到频率透镜的作用。 UJp'v_hN  
#
SCLU9-  
华盛顿大学开发的设备可以在非常宽的参数范围内以可编程的方式实现这种透镜。双脉冲非常容易发生退相干，因此它经常被比作著名的薛定谔猫--一种死而复生的宏观叠加，几乎不可能在实验中实现。尽管如此，研究小组还是能够对这些脆弱的双脉冲态进行忠实的操作。 la)+"uW  
S/pU|zV[
 
这篇论文是"量子光学技术"中心量子光学器件实验室和量子存储器实验室的工作成果，两名硕士研究生参与了这项工作： Stanislaw Kurzyna 和 Marcin Jastrzebski、两名本科生 Bartosz Niewelt 和 Jan Nowosielski、Mateusz Mazelanik 博士以及实验室负责人 Michal Parniak 博士和 Wojciech Wasilewski 教授参与了这项工作。由于上述成果，Bartosz Niewelt 还在最近于华盛顿州斯波坎市举行的 DAMOP 会议上获得了演讲资助奖。 Hr}"g@ <  
O\o@]  
在直接应用于电信领域之前，必须先将该方法映射到其他波长和参数范围。然而，分数傅里叶变换对于最先进网络（包括光学卫星链路）中的光接收器来说至关重要。华盛顿大学开发的量子光处理器可以有效地找到并测试这种新协议。