Các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp tiên phong để thực hiện biến đổi Fourier phân đoạn của các xung quang bằng bộ nhớ lượng tử. Thành tựu độc đáo này liên quan đến việc thực hiện phép biến đổi trạng thái “con mèo Schrödinger”, trạng thái có những ứng dụng tiềm năng trong truyền thông và quang phổ.

Các nhà nghiên cứu từ Khoa Vật lý tại Đại học Warsaw, phối hợp với các chuyên gia từ Trung tâm Công nghệ Quang học Lượng tử QOT, đã tạo ra một công nghệ tiên tiến cho phép thực hiện biến đổi Fourier phân đoạn của xung quang bằng bộ nhớ lượng tử.

Thành tựu này là duy nhất ở cấp độ toàn cầu, vì nhóm là nhóm đầu tiên trình bày ứng dụng thử nghiệm của sự chuyển đổi nói trên trong loại hệ thống này. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí uy tín Thư đánh giá thể chất. Trong công việc của mình, các sinh viên đã thử nghiệm việc thực hiện phép biến đổi Fourier phân đoạn bằng cách sử dụng xung quang học kép, còn được gọi là điều kiện “con mèo Schrödinger”.

Phổ xung và phân bố thời gian

Sóng, giống như ánh sáng, có những đặc tính riêng – thời lượng của xung và tần số của nó (trong trường hợp ánh sáng, tương ứng với màu sắc của nó). Hóa ra những đặc tính này có liên quan với nhau thông qua một quá trình gọi là biến đổi Fourier, giúp chuyển từ mô tả sóng theo thời gian sang mô tả phổ của nó theo tần số.

Biến đổi Fourier phân số là dạng tổng quát của biến đổi Fourier cho phép chuyển đổi một phần từ mô tả sóng theo thời gian sang mô tả tần số. Về mặt trực quan, nó có thể được hiểu là phép quay của phân bố (ví dụ: hàm hình xuyến thời gian Wigner) của tín hiệu được nghiên cứu ở một góc nhất định trong miền tần số thời gian.

Các sinh viên trong phòng thí nghiệm chứng minh sự chuyển động quay của các trạng thái của con mèo Schrödinger. Không có con mèo thực sự nào bị thương trong dự án. Nguồn: S. Corzyna b. Neault, Đại học Warsaw

Những phép biến đổi kiểu này hóa ra lại đặc biệt hữu ích trong việc thiết kế các bộ lọc quang phổ và thời gian đặc biệt để loại bỏ nhiễu và cho phép tạo ra các thuật toán giúp người ta có thể sử dụng bản chất lượng tử của ánh sáng để phân biệt các xung có tần số khác nhau chính xác hơn so với các phương pháp thông thường. Điều này đặc biệt quan trọng trong quang phổ, giúp nghiên cứu tính chất hóa học của vật chất và trong viễn thông, đòi hỏi truyền và xử lý thông tin với độ chính xác và tốc độ cao.

Thấu kính và biến đổi Fourier?

Một thấu kính thủy tinh thông thường có khả năng hội tụ một chùm ánh sáng đơn sắc chiếu vào nó đến gần một điểm duy nhất (tiêu điểm). Việc thay đổi góc ánh sáng chiếu vào ống kính sẽ thay đổi vị trí lấy nét. Điều này cho phép chúng ta chuyển đổi góc tới thành vị trí, thu được phép tương tự biến đổi Fourier, trong không gian của các hướng và vị trí. Máy quang phổ dựa trên cách tử nhiễu xạ cổ điển sử dụng hiệu ứng này để chuyển đổi thông tin bước sóng của ánh sáng thành các vị trí, cho phép chúng ta phân biệt giữa các vạch quang phổ.

Thấu kính thời gian và tần số

Tương tự như thấu kính thủy tinh, thấu kính tần số thời gian cho phép chuyển đổi thời lượng xung thành phân bố quang phổ của nó hoặc thực hiện một cách hiệu quả phép biến đổi Fourier trong không-thời gian tần số. Việc lựa chọn chính xác công suất của các thấu kính này giúp có thể thực hiện phép biến đổi Fourier phân đoạn. Trong trường hợp xung quang, hoạt động của thấu kính thời gian và tần số tương ứng với việc áp dụng các pha bậc hai cho tín hiệu.

Để xử lý tín hiệu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng bộ nhớ lượng tử – hay chính xác hơn là bộ nhớ được trang bị khả năng xử lý ánh sáng lượng tử – dựa trên đám mây nguyên tử rubidium được đặt trong bẫy quang từ. Các nguyên tử được làm lạnh đến nhiệt độ hàng chục triệu độ trên không tuyệt đối. Bộ nhớ được đặt trong một từ trường thay đổi, cho phép các thành phần có tần số khác nhau được lưu trữ ở các phần khác nhau của đám mây. Xung phải chịu một thấu kính thời gian trong quá trình ghi và đọc, và một thấu kính tần số trong quá trình lưu trữ.

Thiết bị được phát triển tại Đại học Wisconsin cho phép những thấu kính như vậy được triển khai trên một phạm vi thông số rất rộng và theo cách có thể lập trình được. Xung kép rất dễ bị mất kết hợp, và do đó thường được so sánh với con mèo nổi tiếng của Schrödinger – một sự chồng chất vi mô của sự sống và cái chết, gần như không thể đạt được bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã có thể thực hiện các thao tác chính xác trên những trường hợp xung kép mỏng manh này.

Ấn phẩm này là kết quả làm việc tại Phòng thí nghiệm Thiết bị Quang học Lượng tử và Phòng thí nghiệm Bộ nhớ Lượng tử tại Trung tâm “Công nghệ Quang học Lượng tử” với sự tham gia của hai sinh viên thạc sĩ: Stanislaw Korzina và Marcin Yastrzebski, hai sinh viên đại học Bartosz Neault và Jan. Novosielski và TS. Mateusz Maslanyk và những người đứng đầu phòng thí nghiệm, Tiến sĩ Michal Barniak và Giáo sư Wojciech Wasilewski. Đối với các kết quả được mô tả, Bartosz Neault cũng đã nhận được giải thưởng trình bày tài trợ trong hội nghị DAMOP gần đây ở Spokane, Washington.

Trước khi ứng dụng trực tiếp vào truyền thông, trước tiên phương pháp này phải được ánh xạ tới các bước sóng và phạm vi tham số khác. Tuy nhiên, phép biến đổi Fourier phân đoạn có thể rất quan trọng đối với các máy thu quang trong các mạng hiện đại, bao gồm cả các liên kết vệ tinh quang. Bộ xử lý ánh sáng lượng tử được phát triển tại Đại học Wisconsin giúp tìm ra các giao thức mới như vậy và kiểm tra chúng một cách hiệu quả.

Tài liệu tham khảo: “Triển khai thử nghiệm phép biến đổi Fourier phân đoạn quang học trong miền tần số thời gian” của Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic và Michal Barniak, ngày 12 tháng 6 năm 2023, Thư đánh giá thể chất.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Dự án “Công nghệ quang lượng tử” (MAB/2018/4) được triển khai trong Chương trình nghị sự nghiên cứu quốc tế của Quỹ khoa học Ba Lan và được Liên minh châu Âu đồng tài trợ thuộc Quỹ phát triển khu vực châu Âu.