I fisici ribaltano il gatto di Schrödinger

I ricercatori della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, in collaborazione con gli esperti del Centro QOT per le tecnologie ottiche quantistiche, hanno creato una tecnologia innovativa che consente di eseguire la trasformata frazionaria di Fourier degli impulsi ottici utilizzando la memoria quantistica.

Questo risultato è unico a livello globale, poiché il team è stato il primo a presentare un’applicazione sperimentale della suddetta trasformazione in questo tipo di sistema. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Lettere di revisione fisica. Nel loro lavoro, gli studenti hanno testato l’implementazione di una trasformata di Fourier frazionaria utilizzando un doppio impulso ottico, noto anche come condizione del “gatto di Schrödinger”.

Spettro degli impulsi e distribuzione temporale

Le onde, come la luce, hanno proprietà caratteristiche proprie: la durata dell’impulso e la sua frequenza (corrispondente, nel caso della luce, al suo colore). Si scopre che queste proprietà sono correlate tra loro attraverso un processo chiamato trasformata di Fourier, che consente di passare dalla descrizione di un’onda nel tempo alla descrizione del suo spettro in frequenze.

La trasformata frazionaria di Fourier è una generalizzazione della trasformata di Fourier che permette una transizione parziale da una descrizione di un’onda nel tempo ad una descrizione in frequenza. Intuitivamente, può essere inteso come una rotazione di una distribuzione (ad esempio, la funzione toroide temporale di Wigner) del segnale studiato ad un dato angolo nel dominio tempo-frequenza.

Gli studenti in laboratorio mostrano la rotazione degli stati del gatto di Schrödinger. Nessun vero gatto è rimasto ferito durante il progetto. Fonti. Corzyna b. Neault, Università di Varsavia

Trasformazioni di questo tipo si rivelano eccezionalmente utili nella progettazione di speciali filtri spettrali e temporali per eliminare il rumore e consentire la creazione di algoritmi che permettano di sfruttare la natura quantistica della luce per distinguere impulsi di frequenze diverse in modo più preciso rispetto ai metodi convenzionali. Ciò è particolarmente importante nella spettroscopia, che aiuta a studiare le proprietà chimiche della materia, e nelle telecomunicazioni, che richiedono la trasmissione e l’elaborazione delle informazioni con elevata precisione e velocità.

Lenti e trasformata di Fourier?

Una comune lente di vetro è in grado di focalizzare un fascio di luce monocromatica che cade su di essa approssimativamente in un unico punto (fuoco). Cambiando l’angolo della luce che cade sull’obiettivo si modifica la posizione di messa a fuoco. Ciò permette di convertire gli angoli di incidenza in posizioni, ottenendo un’analogia con la trasformata di Fourier, nello spazio delle direzioni e delle posizioni. Gli spettrografi classici basati sul reticolo di diffrazione utilizzano questo effetto per convertire le informazioni sulla lunghezza d’onda della luce in posizioni, permettendoci di distinguere tra le linee spettrali.

Lenti di tempo e frequenza

Similmente a una lente di vetro, le lenti tempo-frequenza consentono di convertire la durata dell’impulso nella sua distribuzione spettrale o, in effetti, di eseguire una trasformata di Fourier nello spazio-tempo di frequenza. La corretta selezione dei poteri di queste lenti consente di eseguire una trasformata di Fourier frazionaria. Nel caso degli impulsi ottici, l’azione delle lenti di tempo e frequenza corrisponde all’applicazione di fasi quadratiche al segnale.

Per elaborare il segnale, i ricercatori hanno utilizzato una memoria quantistica – o più precisamente una memoria dotata di capacità di elaborazione della luce quantistica – basata su una nuvola di atomi di rubidio posti in una trappola magneto-ottica. Gli atomi furono raffreddati a una temperatura superiore di decine di milioni di gradi zero Assoluto. La memoria è collocata in un campo magnetico variabile, consentendo di archiviare componenti di frequenze diverse in diverse parti della nuvola. L’impulso è stato sottoposto a una lente temporale durante la scrittura e la lettura e a una lente frequenziale durante la memorizzazione.

Il dispositivo sviluppato presso l’Università del Wisconsin consente di implementare tali obiettivi su una gamma molto ampia di parametri e in modo programmabile. Il doppio impulso è molto vulnerabile alla decoerenza e per questo viene spesso paragonato al famoso gatto di Schrödinger: una microscopica sovrapposizione di esseri vivi e morti, quasi impossibile da ottenere sperimentalmente. Tuttavia, il team è riuscito a eseguire operazioni precise su questi fragili casi a doppio impulso.

La pubblicazione è il risultato del lavoro del Laboratorio di dispositivi ottici quantistici e del Laboratorio di memoria quantistica presso il Centro di “Tecnologie ottiche quantistiche” con la partecipazione di due studenti del master: Stanislaw Korzina e Marcin Yastrzebski, due studenti universitari Bartosz Neault e Jan Novosielski e il Dott. Mateusz Maslanyk e i responsabili del laboratorio, il dottor Michal Barniak e il professor Wojciech Wasilewski. Per i risultati descritti, Bartosz Neault ha anche ricevuto un premio per la presentazione durante la recente conferenza DAMOP a Spokane, Washington.

Prima dell’applicazione diretta nelle comunicazioni, il metodo deve essere prima mappato su altre lunghezze d’onda e intervalli di parametri. Tuttavia, la trasformata frazionaria di Fourier può essere cruciale per i ricevitori ottici nelle reti moderne, compresi i collegamenti satellitari ottici. Un processore di luce quantistica sviluppato presso l’Università del Wisconsin rende possibile trovare questi nuovi protocolli e testarli in modo efficiente.

Riferimenti: “Implementazione sperimentale della trasformata di Fourier frazionaria ottica nel dominio tempo-frequenza” di Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic e Michal Barniak, 12 giugno 2023, Lettere di revisione fisica.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Il progetto “Quantum Optical Technologies” (MAB/2018/4) è implementato nell’ambito del Programma di agende di ricerca internazionali della Fondazione polacca per la scienza e cofinanziato dall’Unione europea nell’ambito del Fondo europeo di sviluppo regionale.