分数傅里叶变换，把薛定谔的猫颠倒过来

傅里叶变换是一种数学工具，可以把一个函数从一个域转换到另一个域。这样做的好处是，我们可以从不同的角度来观察和分析一个函数的性质。比如，我们可以用傅里叶变换来把一个复杂的波形分解成若干个简单的正弦波，或者用傅里叶变换来把一个音乐信号从时间域转换到频率域，从而得到它的音调和节奏等信息。

那么，分数傅里叶变换是什么呢？分数傅里叶变换可以看作是傅里叶变换的推广，它不仅可以把一个函数从时域转换到频域，还可以把它转换到任意角度的中间域。这样做的好处是，我们可以更灵活地选择最适合观察和分析一个函数的角度。比如，我们可以用分数傅里叶变换来把一个波形旋转到最清晰或最模糊的角度，或者用分数傅里叶变换来把一个音乐信号旋转到最容易或最难识别的角度。

分数傅里叶变换也可以看作是一种线性变换，它把一个函数在一个正交基下的坐标转换成在另一个正交基下的坐标。这两个正交基之间有一个夹角，这个夹角就是分数傅里叶变换的参数。如果我们把这个过程用几何语言来描述，就相当于把一个向量（函数）在一个坐标系下的投影旋转到另一个坐标系下的投影。这个旋转可以用一个矩阵来表示，这个矩阵就是分数傅里叶变换矩阵。

那么，如何实现分数傅里叶变换呢？在数学上，我们可以用一些公式来计算分数傅里叶变换矩阵，然后用它来对函数进行变换。但是，在物理上，我们如何对光信号进行分数傅里叶变换呢？科学家提出了一种利用双光脉冲（也称为“薛定谔的猫”状态）的分数傅里叶变换的实现。

原子量子光学存储系统是一种利用原子介质来存储和处理光信号的系统。它的原理是，当一束光信号（控制光）和一个原子介质（比如一个气体或一个晶体）相互作用时，会产生一种称为电磁感应透明性的效应，使得原子介质对另一束光信号（信号光）的吸收减弱，从而使信号光可以在原子介质中传播。同时，控制光和信号光之间会产生一种称为自旋波的量子关联，使得信号光的信息可以转移到原子介质的自旋态上，从而实现光信号的存储。当控制光再次打开时，信号光的信息可以从原子介质的自旋态上转移回来，从而实现光信号的读出。

研究人员利用了这种系统的一个特点，就是控制光和信号光之间的相位差可以影响自旋波的形成和读出。他们设计了一种方法，通过对控制光和信号光施加可编程的频谱相位和时间相位，实现了在时频域对信号光进行分数傅里叶变换。他们用一个高速相位调制器来对控制光施加频谱相位，用一个声光调制器来对信号光施加时间相位。他们证明了这种方法可以实现任意角度的分数傅里叶变换，并且可以通过改变相位模式来动态调节变换角度。

研究人员还用一种称为时频域Wigner函数的方法来验证了他们的实验结果。Wigner函数是一种描述函数在时频域中的分布和相干性的函数，它可以看作是函数在时频域中的概率密度函数。研究人员用一个高灵敏度的同步检测器来测量信号光在不同时间和频率下的幅度和相位，并用这些数据来重构出时频域Wigner函数。他们发现，当他们改变分数傅里叶变换的角度时，时频域Wigner函数也随之旋转，并且与理论预测吻合得很好。

科学家指出，他们的方法有很多潜在的应用，比如实现时频域中的模式分选、处理和超分辨率参数估计等。他们认为，他们的方法为利用时频域中的信息提供了一种新颖而有效的方式，并为量子和经典通信、传感和计算等领域开辟了新的可能性。