Físicos viram o gato de Schrödinger de cabeça para baixo

Investigadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, em colaboração com especialistas do QOT Center for Quantum Optical Technologies, criaram uma tecnologia inovadora que permite realizar a transformada fracionária de Fourier de impulsos ópticos utilizando memória quântica.

Esta conquista é única a nível global, pois a equipa foi a primeira a apresentar uma aplicação experimental da referida transformação neste tipo de sistema. Os resultados da pesquisa foram publicados na prestigiada revista Cartas de revisão física. Em seu trabalho, os alunos testaram a implementação de uma transformada fracionária de Fourier usando um pulso óptico duplo, também conhecida como condição do “gato de Schrödinger”.

Espectro de pulso e distribuição de tempo

As ondas, assim como a luz, têm propriedades características próprias – a duração do pulso e sua frequência (correspondendo, no caso da luz, à sua cor). Acontece que essas propriedades estão relacionadas entre si por meio de um processo denominado transformada de Fourier, que permite passar da descrição de uma onda no tempo para a descrição de seu espectro em frequências.

A transformada fracionária de Fourier é uma generalização da transformada de Fourier que permite uma transição parcial de uma descrição de uma onda no tempo para uma descrição em frequência. Intuitivamente, pode ser entendido como uma rotação de uma distribuição (por exemplo, função toróide de tempo de Wigner) do sinal estudado em um determinado ângulo no domínio tempo-frequência.

Alunos no laboratório demonstram a rotação de estados do gato de Schrödinger. Nenhum gato real ficou ferido durante o projeto. Fontes. Korzina e B. Neault, Universidade de Varsóvia

Transformações deste tipo revelam-se excepcionalmente úteis na concepção de filtros espectrais e temporais especiais para eliminar ruídos e permitir a criação de algoritmos que permitem utilizar a natureza quântica da luz para distinguir pulsos de diferentes frequências com mais precisão do que com métodos convencionais. Isto é especialmente importante na espectroscopia, que ajuda a estudar as propriedades químicas da matéria, e nas telecomunicações, que requer transmissão e processamento de informações com alta precisão e velocidade.

Lentes e transformada de Fourier?

Uma lente de vidro comum é capaz de focar um feixe de luz monocromática que incide sobre ela em aproximadamente um único ponto (foco). Alterar o ângulo da luz que incide na lente altera a posição do foco. Isto permite-nos converter ângulos de incidência em posições, obtendo uma analogia da transformada de Fourier, no espaço de direções e posições. Os espectrógrafos clássicos baseados em redes de difração usam esse efeito para converter informações de comprimento de onda da luz em posições, permitindo-nos distinguir entre linhas espectrais.

Lentes de tempo e frequência

Semelhante a uma lente de vidro, as lentes tempo-frequência permitem que a duração do pulso seja convertida em sua distribuição espectral ou, efetivamente, realize uma transformada de Fourier na frequência espaço-tempo. A seleção correta das potências dessas lentes possibilita a realização de uma transformada fracionária de Fourier. No caso dos pulsos ópticos, a ação das lentes de tempo e frequência corresponde à aplicação de fases quadráticas ao sinal.

Para processar o sinal, os investigadores usaram uma memória quântica – ou mais precisamente uma memória equipada com capacidades de processamento quântico de luz – baseada numa nuvem de átomos de rubídio colocados numa armadilha magneto-óptica. Os átomos foram resfriados a uma temperatura de dezenas de milhões de graus acima Zero absoluto. A memória é colocada em um campo magnético variável, permitindo que componentes de diferentes frequências sejam armazenados em diferentes partes da nuvem. O pulso foi submetido a uma lente de tempo durante a escrita e leitura, e a uma lente de frequência durante o armazenamento.

O dispositivo desenvolvido na Universidade de Wisconsin permite que tais lentes sejam implementadas em uma ampla gama de parâmetros e de forma programável. O pulso duplo é muito vulnerável à decoerência e, portanto, é frequentemente comparado ao famoso gato de Schrödinger – uma superposição microscópica de estar vivo e morto, quase impossível de ser alcançada experimentalmente. No entanto, a equipe conseguiu realizar operações precisas nesses frágeis casos de pulso duplo.

A publicação foi resultado de um trabalho realizado no Laboratório de Dispositivos Ópticos Quânticos e no Laboratório de Memória Quântica do Centro de “Tecnologias Ópticas Quânticas” com a participação de dois alunos de mestrado: Stanislaw Korzina e Marcin Yastrzebski, dois alunos de graduação Bartosz Neault e Jan Novosielski e Dr. Mateusz Maslanyk, e os chefes do laboratório, Dr. Michal Barniak e Professor Wojciech Wasilewski. Pelos resultados descritos, Bartosz Neault também recebeu um prêmio de subvenção durante a recente conferência DAMOP em Spokane, Washington.

Antes da aplicação direta em comunicações, o método deve primeiro ser mapeado para outros comprimentos de onda e faixas de parâmetros. No entanto, a transformada fracionária de Fourier pode ser crucial para receptores ópticos em redes modernas, incluindo links ópticos de satélite. Um processador quântico de luz desenvolvido na Universidade de Wisconsin permite encontrar esses novos protocolos e testá-los de maneira eficiente.

Referências: “Implementação experimental da transformada óptica fracionária de Fourier no domínio tempo-frequência” por Bartosz Neault, Marcin Jastrzebski, Stanisław Korzyna, Jan Novoselski, Wojciech Vasilevski, Mateusz Mazilanic e Michal Barniak, 12 de junho de 2023, Cartas de revisão física.
doi: 10.1103/PhysRevLett.130.240801

O projeto “Tecnologias Ópticas Quânticas” (MAB/2018/4) é implementado no âmbito do Programa de Agendas Internacionais de Investigação da Fundação Polaca para a Ciência e co-financiado pela União Europeia no âmbito do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional.