研究人员开发了一种突破性的方法，利用量子存储器对光脉冲进行分数傅里叶变换。这一独特的成就涉及在“Schr?dinger’s cat”状态上实现转换，在电信和光谱学方面有潜在的应用。

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，开创了一项创新技术，该技术允许使用量子存储器执行光脉冲的分数傅里叶变换。

这一成就在全球范围内是独一无二的，因为该团队是第一个在这种类型的系统中提出上述转换的实验性实现。该研究结果发表在著名杂志《物理评论快报》上。在他们的工作中，学生们使用双光脉冲(也称为“Schr?dinger’s cat”状态)测试了分数阶傅立叶变换的实现。

脉冲的频谱和时间分布

波，比如光，有它们自己的特性——脉冲持续时间和频率(在光的情况下，对应于它的颜色)。事实证明这些特征是通过傅里叶变换相互关联的，傅里叶变换使得从用时间来描述波到用频率来描述它的频谱成为可能。

分数阶傅里叶变换是傅里叶变换的推广，它允许从时间描述到频率描述的部分转换。直观地，它可以理解为所考虑的信号的一个分布(例如，时间循环Wigner函数)在时频域中旋转一定角度。

学生在实验室展示Schr?dinger cat状态的旋转。在这个项目中没有真正的猫受伤。资料来源:华沙大学S. Kurzyna和B. Niewelt

事实证明，这种类型的变换在设计特殊的光谱-时间滤波器时非常有用，可以消除噪声，并使算法的创建成为可能，这些算法可以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。这在光谱学和电信中尤其重要，光谱学有助于研究物质的化学性质，而电信则需要高精度和高速地传输和处理信息。

透镜，傅里叶变换呢?

一个普通的玻璃透镜能够将落在它上面的单色光束聚焦到几乎一个点(焦点)。改变镜片上光线的入射角会导致焦点位置的变化。这允许我们将入射角转换为位置，在方向和位置的空间中获得傅里叶变换的类比。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，使我们能够区分光谱线。

时频透镜

与玻璃透镜类似，时间和频率透镜允许将脉冲的持续时间转换为其频谱分布，或者有效地在时间和频率空间中进行傅里叶变换。正确选择这种透镜的功率可以进行分数阶傅里叶变换。在光脉冲的情况下，时间和频率透镜的作用对应于对信号施加二次相位。

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，是一种配备了量子光处理能力的存储器——这种存储器基于放置在磁光阱中的铷原子云。原子被冷却到绝对零度以上百万分之一度的温度。存储器被放置在一个变化的磁场中，允许不同频率的组件存储在云的不同部分。脉冲在写入和读取时受到时间透镜的作用，在存储时受到频率透镜的作用。

UW开发的设备允许在非常广泛的参数范围内以可编程的方式实现这种透镜。双脉冲非常容易退相干，因此它经常被比作著名的Schr?dinger猫——一种死与活的宏观叠加，几乎不可能在实验中实现。尽管如此，该团队仍然能够对这些脆弱的双脉冲状态进行忠实的操作。

该出版物是“量子光学技术”中心的量子光学器件实验室和量子存储实验室的工作成果，两名硕士生: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michael Parniak博士和Wojciech Wasilewski教授参与了这项工作。在最近于华盛顿州斯波坎举行的DAMOP会议上，Bartosz Niewelt也因其所描述的结果获得了演讲奖。

在直接应用于电信之前，必须首先将该方法映射到其他波长和参数范围。然而，分数阶傅立叶变换对于包括光学卫星链路在内的先进网络中的光学接收器至关重要。华盛顿大学开发的量子光处理器使得以一种有效的方式发现和测试这种新协议成为可能。

参考文献:Bartosz Niewelt, Marcin Jastrz?bski, Stanis?aw Kurzyna, Jan Nowosielski, Wojciech Wasilewski, Mateusz Mazelanik和michaov Parniak的“时频域光学分数傅里叶变换的实验实现”，2023年6月12日，物理评论通讯。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.240801

“量子光学技术”(MAB/2018/4)项目在波兰科学基金会的国际研究议程计划下进行，由欧盟在欧洲区域发展基金下共同资助。