바르샤바 대학교 물리학과 연구원들은 QOT 양자 광학 기술 센터의 전문가들과 협력하여 양자 메모리를 사용하여 광 펄스의 분수 푸리에 변환을 가능하게 하는 혁신적인 기술을 개척했습니다. 이 성과는 전 세계적으로 독특합니다. 팀이 이러한 시스템에서 위의 변화를 실험적으로 달성한 최초의 팀이기 때문입니다.
연구 결과는 유명 저널인 Physical Review Letters에 게재되었습니다. 학생들은 작업에서 "슈뢰딩거의 고양이" 상태라고도 알려진 이중 광 펄스를 사용하여 분수 푸리에 변환의 구현을 테스트했습니다.
파동(빛과 유사)에는 펄스 지속 시간과 주파수(빛의 경우 색상에 해당)라는 고유한 속성이 있습니다. 이러한 특성은 시간 측면에서 파동을 설명하는 것에서 주파수 측면에서 파동 스펙트럼을 설명하는 것으로 전환하는 푸리에 변환이라는 작업을 통해 서로 관련되어 있는 것으로 나타났습니다.
분수 푸리에 변환은 파동의 시간 부분을 설명하는 것에서 파동의 주파수를 설명하는 것으로 전환할 수 있는 푸리에 변환의 일반화입니다. 직관적으로 이는 고려 중인 신호의 분포(예: 시간 주기 위그너 함수)를 시간-주파수 영역에서 특정 각도만큼 회전시키는 것으로 이해될 수 있습니다.
이러한 유형의 변환은 잡음을 제거할 뿐만 아니라 빛의 양자 특성을 활용하여 다양한 주파수의 펄스를 기존 방법보다 더 정확하게 구별하는 알고리즘을 생성하기 위해 특수 분광 시간 필터를 설계하는 데 매우 유용한 것으로 입증되었습니다. 이는 물질의 화학적 특성을 연구하는 데 도움이 되는 분광학 분야와 고정밀, 고속 전송 및 정보 처리가 필요한 통신 분야에서 특히 중요합니다.
일반 유리 렌즈는 그 위에 떨어지는 단색 광선을 거의 한 점(초점)에 집중시킬 수 있습니다. 렌즈에 빛이 입사하는 각도를 변경하면 초점 위치가 변경됩니다. 이는 입사각을 위치로 변환하여 방향과 위치 공간에서 유사한 푸리에 변환을 얻습니다. 회절 격자를 기반으로 하는 고전적인 분광계는 이 효과를 활용하여 빛의 파장 정보를 위치 정보로 변환하여 스펙트럼 선을 구별할 수 있게 해줍니다.
유리 렌즈와 마찬가지로 시간 및 주파수 렌즈도 펄스 지속 시간을 스펙트럼 분포로 변환하거나 시간 및 주파수 공간에서 푸리에 변환을 효과적으로 수행할 수 있습니다. 이 렌즈의 도수를 올바르게 선택하면 분수 푸리에 변환을 수행할 수 있습니다. 광 펄스의 경우 시간 및 주파수 렌즈는 신호의 2차 위상 변환 역할을 합니다.
신호를 처리하기 위해 연구원들은 자기광학 트랩에 배치된 루비듐 원자 덩어리를 기반으로 하는 양자 메모리, 더 정확하게는 양자 광 처리 기능을 갖춘 메모리를 사용했습니다. 원자는 지정된 온도로 냉각됩니다. 메모리는 변화하는 자기장에 위치하므로 서로 다른 주파수의 구성 요소가 원자 구름의 서로 다른 부분에 저장될 수 있습니다. 펄스는 쓰기 및 읽기 중에 시간 렌즈화되고 저장 중에 주파수 렌즈화됩니다.
워싱턴 대학에서 개발된 장치는 매우 광범위한 매개변수에 대해 이러한 렌즈를 프로그래밍 방식으로 구현할 수 있습니다. 이중 펄스는 결맞음이 발생하기 쉬우므로 유명한 슈뢰딩거의 고양이와 자주 비교됩니다. 이는 죽은 자에게서 다시 나타나는 거시적 중첩이며 실험적으로 달성하기가 거의 불가능합니다. 그럼에도 불구하고 팀은 이러한 취약한 이중 펄스 상태를 충실하게 조작할 수 있었습니다.
본 논문은 양자광학기술센터 양자광소자 연구실과 양자기억 연구실의 연구 성과이다. 두 명의 석사 학생이 이 작업에 참여했습니다: Stanislaw Kurzyna 및 Marcin Jastrzebski, 두 명의 학부생, Bartosz Niewelt 및 Jan Nowosielski, Dr. Mateusz Mazelanik, 실험실 리더인 Dr. Michal Parniak 및 교수 Wojciech Wasilewski가 이 작업에 참여했습니다. 이러한 성과로 인해 BartoszNiewelt는 최근 워싱턴주 스포케인에서 열린 DAMOP 컨퍼런스에서 연설 보조금 상도 받았습니다.
이 방법은 통신 분야에 직접 적용되기 전에 다른 파장 및 매개변수 범위에 매핑되어야 합니다. 그러나 분수 푸리에 변환은 광 위성 링크를 포함한 최첨단 네트워크의 광 수신기에 매우 중요합니다. 워싱턴 대학에서 개발된 양자 광 프로세서는 이 새로운 프로토콜을 효율적으로 찾아 테스트할 수 있습니다.