طور الباحثون طريقة ثورية لإجراء تحويل فورييه الجزئي للنبضات الضوئية باستخدام الذاكرة الكمومية. وشمل هذا الإنجاز الفريد تنفيذ التحول على حالة “قطة شرودنغر”، مع تطبيقات محتملة في مجال الاتصالات والتحليل الطيفي.
قام باحثون من كلية الفيزياء بجامعة وارسو، بالتعاون مع خبراء من مركز QOT للتقنيات البصرية الكمومية، بتطوير تقنية مبتكرة تسمح بإجراء تحويل فورييه الجزئي للنبضات الضوئية بمساعدة 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 الفحص البدني. 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 النبضات وتكرارها (المتوافق، في حالة الضوء، مع لونه). وتبين أن هذه الخصائص ترتبط ببعضها البعض من خلال عملية تسمى تحويل فورييه، والتي تسمح لنا بالانتقال من وصف الموجة في الزمن 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 فهم ذلك على أنه دوران لتوزيع (على سبيل المثال، دالة ويغنر الدورية الزمنية) للإشارة المدروسة بزاوية معينة في مجال التردد الزمني.
طلاب في المختبر يعرضون دوران حالات قطة شرودنغر. لم تتعرض أي قطة للأذى خلال المشروع. المصدر: س. كورزينا وب. نيولت، جامعة وارسو
وتبين أن التحويلات من هذا النوع مفيدة بشكل استثنائي في تصميم مرشحات طيفية وزمانية خاصة لإزالة الضوضاء وتمكين إنشاء خوارزميات لاستخدام الطبيعة الكمومية للضوء لتمييز النبضات ذات الترددات المختلفة بشكل أكثر دقة من الطرق التقليدية. طُرق. وهذا مهم بشكل خاص في التحليل الطيفي، الذي يسمح بدراسة الخواص الكيميائية للمادة، وفي الاتصالات السلكية واللاسلكية، التي تتطلب نقل ومعالجة المعلومات بدقة وسرعة كبيرتين.
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 من الضوء إلى مواقع، مما يسمح لنا بتمييز الخطوط الطيفية.
عدسات الزمن والتردد
مثل العدسة الزجاجية، تسمح عدسات الزمن والتردد بتحويل مدة النبضة إلى توزيعها الطيفي، أو بشكل فعال، إجراء تحويل فورييه في الزمان والمكان الترددي. إن 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 ذات قدرات معالجة الضوء الكمي – بناءً على سحابة من ذرات الروبيديوم الموضوعة في فخ مغناطيسي بصري. تم تبريد الذرات إلى درجة حرارة تزيد عن عشرات الملايين من الدرجات الصفر المطلق. تم وضع الذاكرة في مجال مغناطيسي متغير، مما يسمح بتخزين مكونات ذات ترددات مختلفة في أجزاء مختلفة من السحابة. تم عدسة النبضة بمرور الوقت أثناء الكتابة والقراءة، وتم عدستها بالتردد 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، ولهذا السبب غالبًا ما يتم مقارنتها بقطة شرودنغر الشهيرة – وهو تراكب مجهري لكائن حي ميت وكائن حي، يكاد يكون من المستحيل تحقيقه تجريبيًا. ومع ذلك، تمكن الفريق من تنفيذ عمليات دقيقة على هذه الحالات الهشة ذات النبض المزدوج.
هذا المنشور هو نتيجة عمل مختبر الأجهزة البصرية الكمومية ومختبر الذاكرة الكمومية التابع لمركز “التقنيات البصرية الكمومية” بمشاركة اثنين من طلاب الماجستير: ستانيسلاف كورزينا ومارسين ياسترزيبسكي، واثنين من الطلاب الجامعيين بارتوش نيولت وجان. نوفوسيلسكي والدكتور ماتيوس مازيلانيك ورؤساء المختبرات الدكتور ميشال بارنياك والبروفيسور فويتشخ فاسيليفسكي. بالنسبة للنتائج الموصوفة، تلقى بارتوش نيولت أيضًا منحة عرض تقديمي في 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 المتقدمة، 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 بكفاءة.
المراجع: “التنفيذ التجريبي لتحويل فورييه الكسري البصري في مجال التردد الزمني” بقلم بارتوش نيولت، ومارسين جاسترزبسكي، وستانيسواف كورزينا، ويان نوفوسيلسكي، ووجسيتش فاسيليفسكي، وماتيوش مازيلانيك، وميكال بارنياك، 12 يونيو 2023، رسائل الفحص البدني.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.130.240801
يتم تنفيذ مشروع “التقنيات البصرية الكمومية” (MAB/2018/4) في إطار برنامج أجندات البحوث الدولية التابع لمؤسسة العلوم البولندية بتمويل مشترك من الاتحاد الأوروبي في إطار صندوق التنمية الإقليمية الأوروبي.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”