الفيزيائيون يقلبون قطة شرودنغر على رأسها

طور الباحثون طريقة رائدة لإجراء تحويل فورييه الجزئي للنبضات الضوئية باستخدام الذاكرة الكمومية. تضمن هذا الإنجاز الفريد تنفيذ التحول على حالة “قطة شرودنغر”، والتي لها تطبيقات محتملة في مجال الاتصالات والتحليل الطيفي.

ابتكر باحثون من كلية الفيزياء بجامعة وارسو، بالتعاون مع خبراء من مركز QOT للتقنيات البصرية الكمومية، تقنية مبتكرة تسمح بإجراء تحويل فورييه الجزئي للنبضات الضوئية باستخدام الذاكرة الكمومية.

ويعد هذا الإنجاز فريدًا من نوعه على المستوى العالمي، حيث كان الفريق أول من قدم تطبيقًا تجريبيًا للتحول المذكور في هذا النوع من الأنظمة. ونشرت نتائج البحث في المجلة المرموقة رسائل المراجعة البدنية. في عملهم، اختبر الطلاب تنفيذ تحويل فورييه الجزئي باستخدام نبضة بصرية مزدوجة، تُعرف أيضًا باسم حالة “قطة شرودنغر”.

طيف النبض والتوزيع الزمني

الموجات، مثل الضوء، لها خصائصها المميزة – مدة النبضة وترددها (المتوافق، في حالة الضوء، مع لونه). وتبين أن هذه الخصائص مرتبطة ببعضها البعض من خلال عملية تسمى تحويل فورييه، مما يجعل من الممكن التحول من وصف الموجة في الوقت المناسب إلى وصف طيفها بالترددات.

تحويل فورييه الكسري هو تعميم لتحويل فورييه الذي يسمح بالانتقال الجزئي من وصف الموجة في الوقت المناسب إلى الوصف في التردد. بديهيًا، يمكن فهمه على أنه دوران لتوزيع (على سبيل المثال، دالة ويغنر الحلقية الزمنية) للإشارة المدروسة بزاوية معينة في مجال التردد الزمني.

الطلاب في المختبر يعرضون دوران حالات قطة شرودنغر. لم يصب أي قطط حقيقية خلال المشروع. المصدر: س. كورزينا وب. نيولت، جامعة وارسو

وتبين أن التحويلات من هذا النوع مفيدة بشكل استثنائي في تصميم مرشحات طيفية وزمانية خاصة للقضاء على الضوضاء وتمكين إنشاء خوارزميات تجعل من الممكن استخدام الطبيعة الكمومية للضوء لتمييز النبضات ذات الترددات المختلفة بشكل أكثر دقة من التقليدية طُرق. وهذا مهم بشكل خاص في التحليل الطيفي، الذي يساعد على دراسة الخواص الكيميائية للمادة، وفي الاتصالات السلكية واللاسلكية، التي تتطلب نقل ومعالجة المعلومات بدقة وسرعة عالية.

العدسات وتحويل فورييه؟

العدسة الزجاجية العادية قادرة على تركيز شعاع الضوء أحادي اللون الذي يسقط عليها إلى نقطة واحدة تقريبًا (التركيز). يؤدي تغيير زاوية سقوط الضوء على العدسة إلى تغيير موضع التركيز. وهذا يسمح لنا بتحويل زوايا السقوط إلى مواضع، والحصول على تشبيه تحويل فورييه، في فضاء الاتجاهات والمواضع. يستخدم مقياس الطيف الكلاسيكي المعتمد على محزوز الحيود هذا التأثير لتحويل معلومات الطول الموجي للضوء إلى مواقع، مما يسمح لنا بالتمييز بين الخطوط الطيفية.

عدسات الزمن والتردد

على غرار العدسة الزجاجية، تسمح عدسات الزمن والتردد بتحويل مدة النبضة إلى توزيعها الطيفي، أو بشكل فعال، إجراء تحويل فورييه في الزمان والمكان الترددي. الاختيار الصحيح لقوى هذه العدسات يجعل من الممكن إجراء تحويل فورييه كسري. في حالة النبضات الضوئية، يتوافق عمل عدسات الزمن والتردد مع تطبيق المراحل التربيعية على الإشارة.

لمعالجة الإشارة، استخدم الباحثون ذاكرة كمومية – أو بشكل أكثر دقة ذاكرة مجهزة بقدرات معالجة الضوء الكمي – بناءً على سحابة من ذرات الروبيديوم الموضوعة في مصيدة مغناطيسية بصرية. تم تبريد الذرات إلى درجة حرارة تصل إلى عشرات الملايين من الدرجات أعلاه الصفر المطلق. تم وضع الذاكرة في مجال مغناطيسي متغير، مما يسمح بتخزين مكونات ذات ترددات مختلفة في أجزاء مختلفة من السحابة. تم إخضاع النبضة لعدسة زمنية أثناء الكتابة والقراءة، وعملت عليها عدسة ترددية أثناء التخزين.

يسمح الجهاز الذي تم تطويره في جامعة ويسكونسن بتنفيذ مثل هذه العدسات على نطاق واسع جدًا من المعلمات وبطريقة قابلة للبرمجة. النبضة المزدوجة معرضة جدًا لفك الترابط، ومن ثم يتم مقارنتها غالبًا بقطة شرودنغر الشهيرة – وهو تراكب مجهري لكونك حيًا وميتًا، يكاد يكون من المستحيل تحقيقه تجريبيًا. ومع ذلك، تمكن الفريق من تنفيذ عمليات دقيقة على تلك الحالات الهشة ذات النبض المزدوج.

وجاء النشر نتيجة العمل في مختبر الأجهزة البصرية الكمومية ومختبر الذاكرة الكمومية في مركز “التقنيات البصرية الكمومية” بمشاركة اثنين من طلاب الماجستير: ستانيسلاف كورزينا ومارسين ياسترزبسكي، واثنين من الطلاب الجامعيين بارتوش نيولت وجان نوفوسييلسكي، ود. ماتيوس مازلانيك، ورئيسا المختبر الدكتور ميشال بارنياك والبروفيسور فويتشخ فاسيليفسكي. بالنسبة للنتائج الموصوفة، حصل بارتوش نيولت أيضًا على جائزة منحة العرض التقديمي خلال مؤتمر DAMOP الأخير في سبوكان، واشنطن.

قبل التطبيق المباشر في الاتصالات، يجب أولاً تعيين الطريقة لأطوال موجية ونطاقات معلمات أخرى. ومع ذلك، فإن تحويل فورييه الجزئي يمكن أن يكون حاسما بالنسبة للمستقبلات الضوئية في الشبكات الحديثة، بما في ذلك وصلات الأقمار الصناعية الضوئية. يتيح معالج الضوء الكمي الذي تم تطويره في جامعة ويسكونسن إمكانية العثور على مثل هذه البروتوكولات الجديدة واختبارها بطريقة فعالة.

المراجع: “التنفيذ التجريبي لتحويل فورييه الكسري البصري في مجال التردد الزمني” بقلم بارتوش نيولت، ومارسين جاسترزبسكي، وستانيسواف كورزينا، ويان نوفوسيلسكي، ووجيتش فاسيليفسكي، وماتيوز مازيلانيك، وميكال بارنياك، 12 يونيو 2023، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

يتم تنفيذ مشروع “التقنيات البصرية الكمومية” (MAB/2018/4) ضمن برنامج أجندات البحوث الدولية التابع لمؤسسة العلوم البولندية بتمويل مشترك من الاتحاد الأوروبي في إطار صندوق التنمية الإقليمية الأوروبي.