Des chercheurs du Département de physique de l'Université de Varsovie, en collaboration avec des experts du Centre QOT de technologie optique quantique, ont mis au point une technologie innovante permettant la transformation de Fourier fractionnaire des impulsions lumineuses à l'aide de la mémoire quantique. Cette réalisation est unique au monde, car l’équipe est la première à réaliser expérimentalement la transformation ci-dessus dans un tel système.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans la célèbre revue Physical Review Letters. Dans leur travail, les étudiants ont testé des implémentations de transformées de Fourier fractionnaires utilisant des impulsions lumineuses doubles, également connues sous le nom d'états du « chat de Schrödinger ».
Une onde (comme la lumière) a ses propres propriétés : durée et fréquence d'impulsion (dans le cas de la lumière, correspondant à sa couleur). Il s’avère que ces propriétés sont liées entre elles par une opération appelée transformée de Fourier, qui passe de la description de l’onde en termes de temps à la description du spectre de l’onde en termes de fréquence.
La transformée de Fourier fractionnaire est une généralisation de la transformée de Fourier qui permet de passer de la description de la partie temporelle d'une onde à la description de la fréquence de l'onde. Intuitivement, cela peut être compris comme une rotation de la distribution du signal considéré (par exemple, la fonction de Wigner périodique) d'un certain angle dans le domaine temps-fréquence.
Ce type de transformation s'est avéré très utile dans la conception de filtres spectraux-temporels spéciaux qui non seulement éliminent le bruit, mais créent également des algorithmes exploitant les propriétés quantiques de la lumière pour distinguer plus précisément les impulsions de différentes fréquences que les méthodes traditionnelles. Ceci est particulièrement important dans les domaines de la spectroscopie, qui permet d’étudier les propriétés chimiques des substances, et des télécommunications, qui nécessitent une transmission et un traitement de l’information de haute précision et à grande vitesse.
Une lentille en verre ordinaire est capable de focaliser un faisceau lumineux monochromatique tombant sur elle jusqu'à presque un point (point focal). Changer l’angle d’incidence de la lumière sur l’objectif modifiera la position de la mise au point. Cela convertit l'angle d'incidence en position, obtenant des transformées de Fourier similaires dans l'espace de direction et de position. Les spectromètres classiques basés sur des réseaux de diffraction exploitent cet effet pour convertir les informations de longueur d'onde de la lumière en informations de position, nous permettant ainsi de distinguer les raies spectrales.
Semblables aux lentilles en verre, les lentilles temporelles et fréquentielles peuvent également convertir la durée d'une impulsion en une distribution spectrale ou effectuer efficacement une transformée de Fourier dans l'espace temporel et fréquentiel. En choisissant correctement la puissance de cette lentille, une transformée de Fourier fractionnaire peut être réalisée. Dans le cas des impulsions lumineuses, les lentilles temporelles et fréquentielles agissent comme une transformation de phase secondaire du signal.
Pour traiter les signaux, les chercheurs ont utilisé une mémoire quantique - ou, plus précisément, une mémoire dotée de capacités de traitement quantique de la lumière - basée sur un amas d'atomes de rubidium placé dans un piège magnéto-optique. Les atomes sont refroidis à une température spécifiée. La mémoire est placée dans un champ magnétique changeant, permettant de stocker des composants de différentes fréquences dans différentes parties du nuage atomique. Les impulsions sont soumises à une lentille temporelle pendant l'écriture et la lecture et à une lentille fréquentielle pendant le stockage.
Le dispositif développé à l’Université de Washington peut mettre en œuvre de manière programmable un tel objectif sur une très large gamme de paramètres. La double impulsion est si sujette à la décohérence qu'elle est souvent comparée au célèbre chat de Schrödinger - une superposition macroscopique qui revient d'entre les morts et qui est presque impossible à réaliser expérimentalement. Néanmoins, l’équipe a pu manipuler fidèlement ces états fragiles à double impulsion.
Cet article est le résultat des travaux du Laboratoire de Dispositifs Optiques Quantiques et du Laboratoire de Mémoire Quantique du Centre « Technologie Optique Quantique ». Deux étudiants à la maîtrise ont participé à ces travaux : Stanislaw Kurzyna et Marcin Jastrzebski, deux étudiants de premier cycle Bartosz Niewelt et Jan Nowosielski, le Dr Mateusz Mazelanik et les chefs de laboratoire, le Dr Michal Parniak et le professeur Wojciech Wasilewski. Grâce à ces réalisations, BartoszNiewelt a également reçu une bourse de conférencier lors de la récente conférence DAMOP à Spokane, Washington.
La méthode doit d’abord être mappée sur d’autres longueurs d’onde et plages de paramètres avant d’être directement applicable au domaine des télécommunications. Cependant, la transformée de Fourier fractionnaire est cruciale pour les récepteurs optiques des réseaux de pointe, y compris les liaisons optiques par satellite. Un processeur de lumière quantique développé à l’Université de Washington peut trouver et tester efficacement ce nouveau protocole.