Des physiciens renversent le chat de Schrödinger

Des chercheurs de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie, en collaboration avec des experts du Centre QOT pour les technologies optiques quantiques, ont créé une technologie innovante qui permet d’effectuer une transformée de Fourier fractionnaire d’impulsions optiques à l’aide de la mémoire quantique.

Cette réalisation est unique au niveau mondial, puisque l’équipe a été la première à présenter une application expérimentale de la transformation susmentionnée dans ce type de système. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la prestigieuse revue Lettres d’examen physique. Dans leurs travaux, les étudiants ont testé la mise en œuvre d’une transformée de Fourier fractionnaire utilisant une double impulsion optique, également connue sous le nom de « condition du chat de Schrödinger ».

Spectre d’impulsion et distribution temporelle

Les ondes, comme la lumière, ont leurs propres propriétés caractéristiques : la durée de l’impulsion et sa fréquence (correspondant, dans le cas de la lumière, à sa couleur). Il s’avère que ces propriétés sont liées entre elles par un processus appelé transformation de Fourier, qui permet de passer de la description d’une onde dans le temps à la description de son spectre en fréquences.

La transformée de Fourier fractionnaire est une généralisation de la transformée de Fourier qui permet un passage partiel d’une description d’une onde en temps à une description en fréquence. Intuitivement, cela peut être compris comme une rotation d’une distribution (par exemple, fonction toroïdale temporelle de Wigner) du signal étudié selon un angle donné dans le domaine temps-fréquence.

Les étudiants du laboratoire démontrent la rotation des états du chat de Schrödinger. Aucun vrai chat n’a été blessé pendant le projet. Sources. Korzina et B. Neault, Université de Varsovie

De telles transformations s’avèrent extrêmement utiles pour concevoir des filtres spectraux et temporels spéciaux pour éliminer le bruit et permettre la création d’algorithmes permettant d’utiliser la nature quantique de la lumière pour distinguer plus précisément les impulsions de différentes fréquences qu’avec les méthodes conventionnelles. Ceci est particulièrement important en spectroscopie, qui permet d’étudier les propriétés chimiques de la matière, et en télécommunications, qui nécessitent la transmission et le traitement des informations avec une grande précision et rapidité.

Lentilles et transformée de Fourier ?

Une lentille en verre ordinaire est capable de focaliser un faisceau de lumière monochromatique tombant sur elle vers un seul point (foyer). Changer l’angle de la lumière tombant sur l’objectif modifie la position de mise au point. Cela nous permet de convertir les angles d’incidence en positions, en obtenant une analogie de transformée de Fourier, dans l’espace des directions et des positions. Les spectrographes classiques basés sur des réseaux de diffraction utilisent cet effet pour convertir les informations de longueur d’onde de la lumière en positions, nous permettant ainsi de distinguer les raies spectrales.

Lentilles temporelles et fréquentielles

Semblables à une lentille en verre, les lentilles temps-fréquence permettent de convertir la durée de l’impulsion en sa distribution spectrale ou, effectivement, d’effectuer une transformée de Fourier en fréquence espace-temps. La bonne sélection des puissances de ces lentilles permet d’effectuer une transformée de Fourier fractionnaire. Dans le cas des impulsions optiques, l’action des lentilles temporelles et fréquentielles correspond à l’application de phases quadratiques au signal.

Pour traiter le signal, les chercheurs ont utilisé une mémoire quantique – ou plus précisément une mémoire dotée de capacités de traitement quantique de la lumière – basée sur un nuage d’atomes de rubidium placé dans un piège magnéto-optique. Les atomes ont été refroidis à une température de plusieurs dizaines de millions de degrés au-dessus Zéro absolu. La mémoire est placée dans un champ magnétique variable, permettant de stocker des composants de différentes fréquences dans différentes parties du nuage. L’impulsion a été soumise à une lentille temporelle pendant l’écriture et la lecture, et à une lentille fréquentielle pendant le stockage.

Le dispositif développé à l’Université du Wisconsin permet de mettre en œuvre de tels objectifs sur une très large gamme de paramètres et de manière programmable. La double impulsion est très vulnérable à la décohérence et est donc souvent comparée au célèbre chat de Schrödinger – une superposition microscopique d’être vivant et mort, presque impossible à réaliser expérimentalement. L’équipe a cependant pu réaliser des opérations précises sur ces cas fragiles à double impulsion.

La publication est le résultat des travaux du Laboratoire de dispositifs optiques quantiques et du Laboratoire de mémoire quantique du Centre de « Technologies optiques quantiques » avec la participation de deux étudiants à la maîtrise : Stanislaw Korzina et Marcin Yastrzebski, deux étudiants de premier cycle Bartosz Neault et Jan Novosielski et le Dr. Mateusz Maslanyk et les chefs du laboratoire, le Dr Michal Barniak et le professeur Wojciech Wasilewski. Pour les résultats décrits, Bartosz Neault a également reçu un prix de présentation de subvention lors de la récente conférence DAMOP à Spokane, Washington.

Avant une application directe dans les communications, la méthode doit d’abord être mappée sur d’autres longueurs d’onde et plages de paramètres. Cependant, la transformée de Fourier fractionnaire peut être cruciale pour les récepteurs optiques des réseaux modernes, y compris les liaisons optiques par satellite. Un processeur de lumière quantique développé à l’Université du Wisconsin permet de trouver de tels nouveaux protocoles et de les tester de manière efficace.

Références : « Implémentation expérimentale de la transformée de Fourier fractionnaire optique dans le domaine temps-fréquence » par Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic et Michal Barniak, 12 juin 2023, Lettres d’examen physique.
est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Le projet « Technologies optiques quantiques » (MAB/2018/4) est mis en œuvre dans le cadre du programme International Research Agendas de la Fondation polonaise pour la science et cofinancé par l’Union européenne dans le cadre du Fonds européen de développement régional.