Fisikawan membalikkan kepala kucing Schrödinger

Para peneliti dari Fakultas Fisika Universitas Warsawa, bekerja sama dengan para ahli dari QOT Center for Quantum Optical Technologies, telah menciptakan teknologi inovatif yang memungkinkan dilakukannya transformasi pulsa optik pecahan Fourier menggunakan memori kuantum.

Pencapaian ini merupakan sesuatu yang unik di tingkat global, karena tim ini merupakan tim pertama yang mempresentasikan penerapan eksperimental transformasi yang disebutkan di atas pada sistem jenis ini. Hasil penelitiannya dipublikasikan di jurnal bergengsi Surat ulasan fisik. Dalam pekerjaannya, para siswa menguji implementasi transformasi Fourier pecahan menggunakan pulsa optik ganda, yang juga dikenal sebagai kondisi “kucing Schrödinger”.

Spektrum pulsa dan distribusi waktu

Gelombang, seperti cahaya, memiliki sifat karakteristiknya sendiri – durasi denyut dan frekuensinya (sesuai, dalam kasus cahaya, dengan warnanya). Ternyata sifat-sifat ini saling berhubungan melalui proses yang disebut transformasi Fourier, yang memungkinkan kita beralih dari mendeskripsikan gelombang dalam waktu ke mendeskripsikan spektrumnya dalam frekuensi.

Transformasi Fourier fraksional adalah generalisasi dari transformasi Fourier yang memungkinkan transisi parsial dari deskripsi gelombang dalam waktu ke deskripsi frekuensi. Secara intuitif, ini dapat dipahami sebagai rotasi distribusi (misalnya fungsi toroid waktu Wigner) dari sinyal yang dipelajari pada sudut tertentu dalam domain frekuensi waktu.

Siswa di laboratorium mendemonstrasikan rotasi keadaan kucing Schrödinger. Tidak ada kucing sungguhan yang terluka selama proyek ini. Sumber: S. Korzina dan B. Neault, Universitas Warsawa

Transformasi semacam ini ternyata sangat berguna dalam merancang filter spektral dan temporal khusus untuk menghilangkan kebisingan dan memungkinkan pembuatan algoritma yang memungkinkan penggunaan sifat kuantum cahaya untuk membedakan pulsa frekuensi berbeda dengan lebih tepat dibandingkan dengan metode konvensional. Hal ini sangat penting dalam spektroskopi, yang membantu mempelajari sifat kimia suatu materi, dan dalam telekomunikasi, yang memerlukan transmisi dan pemrosesan informasi dengan akurasi dan kecepatan tinggi.

Lensa dan Transformasi Fourier?

Lensa kaca biasa mampu memfokuskan berkas cahaya monokromatik yang jatuh padanya kira-kira pada satu titik (fokus). Mengubah sudut cahaya yang jatuh pada lensa akan mengubah posisi fokus. Hal ini memungkinkan kita untuk mengubah sudut datang menjadi posisi, memperoleh analogi transformasi Fourier, dalam ruang arah dan posisi. Spektrograf berbasis kisi difraksi klasik menggunakan efek ini untuk mengubah informasi panjang gelombang cahaya menjadi posisi, sehingga memungkinkan kita membedakan garis spektrum.

Lensa waktu dan frekuensi

Mirip dengan lensa kaca, lensa frekuensi waktu memungkinkan durasi pulsa diubah menjadi distribusi spektralnya, atau, secara efektif, melakukan transformasi Fourier dalam ruang-waktu frekuensi. Pemilihan kekuatan lensa yang tepat memungkinkan dilakukannya transformasi Fourier pecahan. Dalam kasus pulsa optik, aksi lensa waktu dan frekuensi berhubungan dengan penerapan fase kuadrat pada sinyal.

Untuk memproses sinyal, para peneliti menggunakan memori kuantum – atau lebih tepatnya memori yang dilengkapi dengan kemampuan pemrosesan cahaya kuantum – berdasarkan awan atom rubidium yang ditempatkan dalam perangkap magneto-optik. Atom-atom didinginkan hingga suhu puluhan juta derajat di atas Nol mutlak. Memori ditempatkan dalam medan magnet variabel, memungkinkan komponen dengan frekuensi berbeda disimpan di berbagai bagian cloud. Denyut nadi dikenakan lensa waktu selama menulis dan membaca, dan lensa frekuensi selama penyimpanan.

Perangkat yang dikembangkan di University of Wisconsin memungkinkan lensa tersebut diimplementasikan pada rentang parameter yang sangat luas dan dengan cara yang dapat diprogram. Denyut ganda sangat rentan terhadap dekoherensi, dan oleh karena itu sering dibandingkan dengan kucing Schrödinger yang terkenal – sebuah superposisi mikroskopis antara hidup dan mati, hampir mustahil dicapai secara eksperimental. Namun, tim mampu melakukan operasi yang tepat pada kasus-kasus pulsa ganda yang rapuh ini.

Publikasi ini merupakan hasil kerja di Laboratorium Perangkat Optik Kuantum dan Laboratorium Memori Kuantum di Pusat “Teknologi Optik Kuantum” dengan partisipasi dua mahasiswa master: Stanislaw Korzina dan Marcin Yastrzebski, dua mahasiswa sarjana Bartosz Neault dan Jan Novosielski, dan Dr. Mateusz Maslanyk, dan kepala laboratorium, Dr. Michal Barniak dan Profesor Wojciech Wasilewski. Atas hasil yang dijelaskan, Bartosz Neault juga menerima penghargaan presentasi hibah pada konferensi DAMOP baru-baru ini di Spokane, Washington.

Sebelum diterapkan langsung dalam komunikasi, metode tersebut harus dipetakan terlebih dahulu ke panjang gelombang dan rentang parameter lainnya. Namun, transformasi Fourier fraksional dapat menjadi sangat penting bagi penerima optik dalam jaringan modern, termasuk tautan satelit optik. Prosesor cahaya kuantum yang dikembangkan di University of Wisconsin memungkinkan untuk menemukan protokol baru dan mengujinya dengan cara yang efisien.

Referensi: “Implementasi eksperimental transformasi Fourier pecahan optik dalam domain frekuensi waktu” oleh Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic, dan Michal Barniak, 12 Juni 2023, Surat ulasan fisik.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

Proyek “Teknologi Optik Quantum” (MAB/2018/4) dilaksanakan dalam Program Agenda Penelitian Internasional dari Yayasan Sains Polandia dan dibiayai bersama oleh Uni Eropa dalam kerangka Dana Pembangunan Regional Eropa.