Dr hab. Michał Parniak oraz Michał Lipka z Wydziału Fizyki UW opracowali inspirowany fizyką kwantową superrozdzielczy spektrometr dla krótkich impulsów światła. W przyszłości urządzenie może zostać zminiaturyzowane na chipie fotonicznym i zastosowane w sieciach optycznych i kwantowych, a także w badaniach spektroskopowych materii. Swój wynalazek naukowcy zaprezentowali na łamach czasopisma „Optica”.

Superrozdzielczy spektrometr dla krótkich impulsów światła (SUSI) został zaprojektowany przez naukowców w Laboratorium Kwantowych Urządzeń Kwantowo-Optycznych w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych, Centrum Nowych Technologii i na Wydziale Fizyki UW.

– Zasada działania urządzenia SUSI jest bardzo podobna do tzw. metod superrozdzielczości inspirowanych informacją kwantową w obrazowaniu. Największym wyzwaniem było przełożenie tych pomysłów na sferę czasu i częstotliwości – mówi Michał Lipka, doktorant na Wydziale Fizyki UW, współtwórca urządzenia.

Kolory niosą informacje

Zadaniem spektroskopii jest badanie różnych kolorów, czyli widma światła. Substancja chemiczna emituje charakterystyczne kolory, dzięki którym można ją zidentyfikować. Podobnie odległa gwiazda również będzie miała specyficzne widmo światła, dzięki któremu możemy zrozumieć jej właściwości astrofizyczne, takie jak rozmiar lub wiek. Różne kolory światła są również wykorzystywane do przesyłania informacji przez kanały w sieciach światłowodowych, tak jak różne pasma radiowe są stosowane przy przesyłaniu 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 była badana przez Lorda Rayleigha i później została nazwana właśnie kryterium Rayleigha.

– Postęp w informatyce kwantowej pozwolił nam zrozumieć, że tradycyjne tzw. bezpośrednie obrazowanie lub spektroskopia odrzuca część informacji, która jest przenoszona w fazie złożonego pola elektromagnetycznego światła. Techniki superrozdzielczości inspirowane kwantami przekształcają złożone pole elektromagnetyczne przed jego wykryciem, aby optymalnie wykorzystać tę ukrytą informację – tłumaczy dr hab. Michał Parniak.

Wystarczy 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. Na przykład, jeśli istnieje tylko jeden mały emiter idealnie wyrównany z osią inwersji, jego odwrócony obraz będzie identyczny z oryginalnym. W tym przypadku nie widzielibyśmy żadnych fotonów w jednym z portów interferometru. Jednak gdy tylko 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 jest przesunięty. Idąc o krok dalej, możemy wyobrazić sobie dwa emitery, które są rozdzielone symetrycznie względem osi inwersji. Suma sygnałów od obu emiterów daje nam super-rozdzielczą informację o obrazie.

– My zmapowaliśmy ten protokół na domenę spektroskopową, czyli kolorów. Dzięki użyciu technik modulacyjnych, udało nam się dokonać odwrócenia widma linii spektralnej, czyli kolor niebieski stał się czerwonym, a czerwony niebieskim. Wtedy pozostało nam tylko zmierzyć fotony na wyjściu naszego interferometru i zaobserwować, że ma on lepszą rozdzielczość niż klasyczny spektrometr – podkreśla Michał Lipka.

Urządzenie opracowane przez badaczy z UW powstało dzięki dofinansowaniu z Narodowego Centrum Nauki w ramach grantu PRELUDIUM. Co istotne, opisany wynalazek działa dla dowolnych zakresów spektralnych i nie generuje szumu jak wszystkie poprzednie implementacje, co jest obiecującym aspektem w kontekście zastosowań w telekomunikacji i spektroskopii.