Investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Varsovia, en colaboración con expertos del Centro QOT de Tecnología Óptica Cuántica, han sido pioneros en una tecnología innovadora que permite la transformación fraccionada de Fourier de pulsos de luz utilizando memoria cuántica. Este logro es único en todo el mundo, ya que el equipo es el primero en lograr experimentalmente la transformación anterior en un sistema de este tipo.
Los resultados de la investigación fueron publicados en la famosa revista Physical Review Letters. En su trabajo, los estudiantes probaron implementaciones de transformadas fraccionarias de Fourier utilizando pulsos de luz dobles, también conocidos como estados del "gato de Schrödinger".
Una onda (como la luz) tiene sus propias propiedades: duración y frecuencia del pulso (en el caso de la luz, correspondiente a su color). Resulta que estas propiedades están relacionadas entre sí mediante una operación llamada transformada de Fourier, que pasa de describir la onda en términos de tiempo a describir el espectro de la onda en términos de frecuencia.
La transformada fraccionaria de Fourier es una generalización de la transformada de Fourier que permite la transición de describir la parte temporal de una onda a describir la frecuencia de la onda. Intuitivamente, puede entenderse como girar la distribución de la señal considerada (por ejemplo, la función de Wigner periódica en el tiempo) en un cierto ángulo en el dominio del tiempo-frecuencia.
Este tipo de transformación ha demostrado ser muy útil en el diseño de filtros espectral-temporales especiales que no sólo eliminan el ruido sino que también crean algoritmos que explotan las propiedades cuánticas de la luz para distinguir pulsos de diferentes frecuencias con mayor precisión que los métodos tradicionales. Esto es particularmente importante en los campos de la espectroscopia, que ayuda a estudiar las propiedades químicas de las sustancias, y las telecomunicaciones, que requieren una transmisión y procesamiento de información de alta precisión y velocidad.
Una lente de vidrio normal es capaz de enfocar un haz de luz monocromático que incide sobre ella casi hasta un punto (punto focal). Cambiar el ángulo de incidencia de la luz sobre la lente cambiará la posición del enfoque. Esto convierte el ángulo de incidencia en posición, obteniendo transformadas de Fourier similares en dirección y espacio de posición. Los espectrómetros clásicos basados en rejillas de difracción aprovechan este efecto para convertir la información de longitud de onda de la luz en información posicional, lo que nos permite distinguir líneas espectrales.
De manera similar a las lentes de vidrio, las lentes de tiempo y frecuencia también pueden convertir la duración de un pulso en una distribución espectral o realizar efectivamente una transformada de Fourier en el espacio de tiempo y frecuencia. Eligiendo correctamente la potencia de esta lente se puede realizar una transformada fraccionada de Fourier. En el caso de los pulsos de luz, las lentes de tiempo y frecuencia actúan como una transformación de fase secundaria de la señal.
Para procesar las señales, los investigadores utilizaron una memoria cuántica -o, más precisamente, una memoria con capacidad de procesamiento cuántico de luz- basada en un grupo de átomos de rubidio colocados en una trampa magnetoóptica. Los átomos se enfrían a una temperatura específica. La memoria se coloca en un campo magnético cambiante, lo que permite almacenar componentes de diferentes frecuencias en diferentes partes de la nube atómica. Los pulsos están sujetos a lentes de tiempo durante la escritura y la lectura y a lentes de frecuencia durante el almacenamiento.
El dispositivo desarrollado en la Universidad de Washington puede implementar de forma programable una lente de este tipo en una gama muy amplia de parámetros. El doble pulso es tan propenso a la decoherencia que a menudo se lo compara con el famoso gato de Schrödinger: una superposición macroscópica que regresa de entre los muertos y es casi imposible de lograr experimentalmente. No obstante, el equipo pudo manipular fielmente estos frágiles estados de doble pulso.
Este artículo es el resultado del trabajo del Laboratorio de Dispositivos Ópticos Cuánticos y el Laboratorio de Memoria Cuántica del Centro "Tecnología Óptica Cuántica". En este trabajo participaron dos estudiantes de maestría: Stanislaw Kurzyna y Marcin Jastrzebski, dos estudiantes universitarios Bartosz Niewelt y Jan Nowosielski, el Dr. Mateusz Mazelanik y los jefes de laboratorio, el Dr. Michal Parniak y el profesor Wojciech Wasilewski. Gracias a estos logros, BartoszNiewelt también recibió una beca para hablar en la reciente conferencia DAMOP en Spokane, Washington.
El método primero debe asignarse a otras longitudes de onda y rangos de parámetros antes de ser directamente aplicable al campo de las telecomunicaciones. Sin embargo, la transformada fraccionaria de Fourier es crucial para los receptores ópticos en redes de última generación, incluidos los enlaces ópticos por satélite. Un procesador de luz cuántica desarrollado en la Universidad de Washington puede encontrar y probar de manera eficiente este nuevo protocolo.