Urządzenie zaprojektowane w Laboratorium Urządzeń Kwantowo-Optycznych w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych, Centrum Nowych Technologii i na Wydziale Fizyki UW oferuje ponad dwukrotną poprawę rozdzielczości w porównaniu do standardowych podejść.

W przyszłości spektrometr może zostać zminiaturyzowany na chipie fotonicznym i zastosowany w sieciach optycznych i kwantowych, a także w badaniach spektroskopowych materii. Wyniki tych prac opublikowało prestiżowe czasopismo „Optica”, a informację prasową o badaniach przesłał PAP Wydział Fizyki UW.

O CO CHODZI W SPEKTROSKOPII

Zadaniem spektroskopii jest badanie różnych kolorów, czyli widma światła. Substancja chemiczna emituje charakterystyczne kolory, dzięki którym można ją zidentyfikować. I tak np. w astronomii analiza widma światła z gwiazd pozwala zrozumieć jej właściwości astrofizyczne, takie jak skład chemiczny, a co za tym idzie - rozmiar lub wiek.

Spektroskopia znaczenie ma i w telekomunikacji. Różne kolory światła są bowiem wykorzystywane do przesyłania informacji przez kanały w sieciach światłowodowych (podobnie jak różne pasma radiowe są wykorzystywane do przesyłania wielu kanałów w tym samym czasie). Te kanały optyczne są podstawą międzykontynentalnych sieci optycznych, a także są niezbędne dla przyszłych bezpiecznych sieci kwantowych.

We wszystkich tych przypadkach trudnym zadaniem jest rozróżnienie blisko położonych kanałów lub linii spektroskopowych. W przeszłości uważano, że jeśli kanały nakładają się na siebie, są prawie niemożliwe do rozróżnienia - własność ta została nazwana właśnie kryterium Rayleigha.

POMOC ZE ŚWIATA KWANTÓW

Postęp w informatyce kwantowej pozwolił nam zrozumieć, że tradycyjne tak zwane bezpośrednie obrazowanie lub spektroskopia pomija część informacji. Techniki superrozdzielczości inspirowane kwantami przekształcają złożone pole elektromagnetyczne przed jego detekcją, aby optymalnie wykorzystać tę ukrytą informację.

Zasada działania urządzenia SUSI (“Super-resolution of Ultrafast pulses via Spectral Inversion”) jest bardzo podobna do tak zwanych metod superrozdzielczości inspirowanych informacją kwantową w obrazowaniu. Największym wyzwaniem było przełożenie tych idei na sferę czasu i częstotliwości.

OBRÓCIĆ OBRAZ

W superrozdzielczym obrazowaniu kwantowym światło pochodzące z obiektu jest dzielone na dwa ramiona interferometru. Jedno ramię zawiera urządzenie, które odwraca obraz. Następnie odwrócona część interferuje z oryginalną.

Gdy emiter zostanie przesunięty, jego odwrócony obraz stanie się inny od oryginalnego, a fotony pojawią się w tym porcie. Ich liczba jest bardzo dobrym wskaźnikiem tego, jak bardzo emiter został poruszony. Korzystając z tego pomysłu, można też zmierzyć odległość między dwoma emiterami. Okazuje się, że precyzja tego pomiaru może być znacznie lepsza niż stosowane dotąd pomiary za pomocą kamery.

MANIPULACJE

Ale jak możemy zaimplementować inwersję na częstotliwościach? Rozwiązanie tego problemu było kluczowym krokiem w projektowaniu SUSI. Podstawową obserwacją było to, że zamiast umieszczać inwerter w pojedynczym ramieniu interferometru, możemy uzyskać ten sam wynik za pomocą transformaty Fouriera w jednym ramieniu i odwrotnej transformaty Fouriera w drugim ramieniu.

Taka konstrukcja - jak zapewniają przedstawiciele FUW - tworzy bardzo zrównoważone i skalowalne urządzenie, które zostało następnie zbudowane przez doktoranta Michała Lipkę pod kierunkiem dr. hab. Michała Parniaka z Wydziału Fizyki UW.

Oba ramiona interferometru mają porównywalne straty, a urządzenia do odwrotnej i bezpośredniej transformaty Fouriera są bardzo podobne.

Co więcej, wszystkie elementy użyte w interferometrze SUSI nadają się do zaimplementowania na chipie fotonicznym, co zwiększa zakres stosowania SUSI - zintegrowany w superspektrometrach lub urządzeniach dla sieci optycznych zapewnia co najmniej dwukrotną poprawę rozdzielczości.

Naukowcy z UW przewidują więc, że nowe urządzenie znajdzie zastosowania w telekomunikacji, badaniach materii czy badaniach astronomicznych.

Projekt „Quantum Optical Technologies” (MAB/2018/4) był realizowany w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, a urządzenie powstało dzięki dofinansowaniu z Narodowego Centrum Nauki poprzez grant PRELUDIUM.

Cała informacja dostępna na stronie FUW.

Nauka w Polsce

lt/ agt/