Alunos da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia (UW) e pesquisadores do QOT Center for Quantum Optical Technologies desenvolveram um método inovador que permite que a Transformada de Fourier fracionária de pulsos ópticos seja realizada usando memória quântica. Esta conquista é única à escala global, pois a equipa foi a primeira a apresentar uma implementação experimental da referida transformação neste tipo de sistema.

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Physical Review Letters . Em seu trabalho, os alunos testaram a implementação da Transformada de Fourier fracionária usando um pulso óptico duplo, também conhecido como estado "gato de Schrödinger".

As ondas, como a luz, têm propriedades próprias — duração e frequência do pulso (correspondente, no caso da luz, à sua cor). Acontece que essas características estão relacionadas entre si por meio de uma operação chamada Transformada de Fourier, que permite passar da descrição de uma onda no tempo para a descrição de seu espectro em frequências.

A Transformada de Fourier fracionária 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, a função cronocíclica de Wigner) do sinal considerado por um determinado ângulo no domínio do tempo-frequência.

Acontece que as transformadas desse tipo são excepcionalmente úteis no projeto de filtros espectrotemporais especiais para eliminar o ruído e permitir a criação de algoritmos que permitem usar a natureza quântica da luz para distinguir pulsos de diferentes frequências com mais precisão do que os tradicionais métodos. Isso é especialmente importante na espectroscopia, que ajuda a estudar as propriedades químicas da matéria, e nas telecomunicações, que requer a transmissão e o processamento de informações com alta precisão e velocidade.

Uma lente de vidro comum é capaz de focalizar um feixe monocromático de luz que incide sobre ela em quase um único ponto (foco). Alterar o ângulo de incidência da luz na lente resulta em uma mudança na posição do foco. Isso nos permite converter ângulos de incidência em posições, obtendo a analogia da Transformada de Fourier, no espaço de direções e posições. Um espectrômetro clássico baseado em uma grade de difração usa esse efeito para converter as informações de comprimento de onda da luz em posições, permitindo-nos distinguir entre as linhas espectrais.

Da mesma forma que as lentes de vidro, as lentes de tempo e frequência permitem a conversão da duração de um pulso em sua distribuição espectral ou, efetivamente, realizam uma transformada de Fourier no tempo e no espaço de frequência. A seleção correta das potências de tais lentes possibilita a realização de uma Transformada de Fourier fracionária. 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 pesquisadores usaram uma memória quântica – ou mais precisamente uma memória equipada com recursos de processamento de luz quântica – baseada em uma nuvem de átomos de rubídio colocados em uma armadilha magneto-óptica. Os átomos foram resfriados a uma temperatura de dezenas de milhões de graus acima do zero absoluto. A memória foi colocada em um campo magnético variável, permitindo que componentes de diferentes frequências fossem armazenados em diferentes partes da nuvem. O pulso foi submetido a uma lente de tempo durante a escrita e leitura, e uma lente de frequência atuou sobre ele durante o armazenamento.

O dispositivo desenvolvido na UW permite a implementação dessas lentes em uma gama muito ampla de parâmetros e de forma programável. Um pulso duplo é muito propenso à descoerência, por isso é frequentemente comparado ao famoso gato de Schrödinger - uma superposição macroscópica de estar morto e vivo, quase impossível de ser alcançada experimentalmente. Ainda assim, a equipe conseguiu implementar operações fiéis nesses frágeis estados de pulso duplo.

Antes da aplicação direta em telecomunicações, o método deve primeiro ser mapeado para outros comprimentos de onda e faixas de parâmetros. A transformada de Fourier fracionária, no entanto, pode ser crucial para receptores ópticos em redes de última geração, incluindo links ópticos de satélite. Um processador de luz quântica desenvolvido na UW permite encontrar e testar esses novos protocolos de maneira eficiente.