颠倒薛定谔的猫

近日，波兰华沙大学(UW)物理系的学生和量子光学技术(QOT)中心的研究人员开发了一种新方法，允许使用量子存储器进行光脉冲的分数傅里叶变换。这一成果在全球范围内是独一无二的，因为该团队是第一个在这种类型的系统中提出上述转换的实验性实现。该研究成果已发表于Physical Review Letters。在该工作中，研究人员使用双光脉冲（也称为“薛定谔的猫”态）测试了分数阶傅立叶变换的实现。

研究人员在实验室演示薛定谔猫态的旋转。在这个项目中，没有真正的猫受伤（来源：华沙大学）

波，如光，有其自身的特征属性——脉冲持续时间和频率（就光而言，对应于它的颜色）。这些特征通过傅里叶变换相互关联的，这使得从用时间来描述波转变为用频率描述它的频谱成为可能。

分数阶傅里叶变换是傅里叶变换的广义形式，允许从时间上对波的描述部分过渡到频率上的描述，可以理解为所考虑信号的分布（例如，时间周期维格纳函数）在时频域中按一定角度旋转。

事实证明，这种类型的变换在设计特殊的光谱-时间滤波器时非常有用，不但可以消除噪声，还能够创建算法。这些算法可以利用光的量子性质比传统方法更精确地区分不同频率的脉冲。这在光谱学和电信中尤其重要，光谱学有助于研究物质的化学性质，而电信则需要高精度和高速地传输和处理信息。

普通的玻璃透镜能够将落在其上的单色光束聚焦到几乎一个点（焦点）。改变光的入射角会导致焦点位置的变化。这使我们能够将入射角转换为位置，在方向和位置的空间中获得傅里叶变换的类比。基于衍射光栅的经典光谱仪利用这种效应将光的波长信息转换为位置，使我们能够区分光谱线。

与玻璃透镜类似，时间和频率透镜允许将脉冲的持续时间转换为其频谱分布，或者有效地在时间和频率空间中进行傅里叶变换。正确选择这种镜头的倍数可以进行分数傅里叶变换。在光脉冲的情况下，时间和频率透镜的作用对应于对信号施加二次相位。

为了处理信号，研究人员使用了一种基于放置在磁光阱中的铷原子云量子存储器，或者更精确地说是一种具有量子光处理能力的存储器。这些原子被冷却到比绝对零度高10^-4量级的温度，即42 μK。存储器被放置在一个变化的磁场中，允许不同频率的组件存储在云的不同部分。脉冲在写入和读取时受时间透镜的影响，在存储时受频率透镜的作用。

华沙大学研制的设备允许在非常广泛的参数范围内以可编程的方式实现这种透镜。双脉冲很容易发生退相干，因此它经常被比作著名的“薛定谔的猫”—一种死与活的宏观叠加，几乎不可能在实验中实现。尽管如此，该团队还是能够在那些脆弱的双脉冲状态上实施忠实的操作。

在直接应用于电信之前，该方法必须首先映射到其他波长和参数范围。然而，分数傅里叶变换对于包括光学卫星链路在内的最先进网络中的光接收器至关重要。华沙大学开发的量子光处理器能够以有效的方式查找和测试此类新协议。