Многомодовые перепутанные состояния в связанных оптических параметрических взаимодействиях и их применения в телепортации

На правах рукописиСАЙГИН Михаил ЮрьевичМногомодовые перепутанные состояния в связанныхоптических параметрических взаимодействиях иих применения в телепортацииСпециальность 01.04.21 — лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико - математических наукМосква - 2011Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (Москва, Россия) ив лаборатории физики лазеров, атомов и молекул Университета науки и технологии Лилль 1 (Лилль, Франция)Научные руководители:доктор физико-математических наук, профессорЧиркин Анатолий Степанович(Москва, Россия);доктор наукКолобов Михаил Иванович(Лилль, Франция)Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессор,Федоров Михаил Владимирович,Институт общей физики им.

А.М. Прохорова РАН,кандидат физико-математических наук,Проценко Игорь Евгеньевич,Физический институт им. П.Н. Лебедева РАНВедущая организация: Санкт-Петербургский государственныйуниверситетЗащита состоится 16 июня 2011 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете им.М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д. 1,стр.

62, Корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. АхмановаС диссертацией можно познакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «» мая 2011 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31,кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М.

ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыНелинейно-оптические взаимодействия, такие как трех- и четырехчастотные параметрические процессы и процесс самовоздействия, играют важнуюроль в квантовой оптике. Оптические параметрические взаимодействия служат основными источниками сжатого света и световых полей в перепутанномсостоянии. В основе источников перепутанных квантовых состояний лежаттрехчастотные параметрические взаимодействия, в которых фотоны интенсивной волны накачки распадаются на пары фотонов, проявляющих корреляции, которые нельзя объяснить в рамках классической теории.Перепутанные квантовые состояния света играют ключевую роль во многих областях квантовой информации: квантовой коммуникации, квантовыхвычислениях и квантовой обработки данных.

Свойство квантовой перепутанности находит применение также в экспериментах по обоснованию квантовоймеханики. В связи с этим разработка и исследование новых источников перепутанных квантовых состояний света является в настоящее время важнойфундаментальной и прикладной проблемой.К настоящему времени можно выделить две группы методов полученияперепутанных многомодовых состояний, обладающих непрерывным спектромсобственных значений (квадратурные компоненты). Первая группа методовиспользует сжатые световые поля с последующим их преобразованием насветоделителях; при этом свет в сжатом состоянии формируется в вырожденном трехчастотном оптическом параметрическом процессе.

Вторая группа способов получения многомодового перепутывания с непрерывными переменными основана на так называемых связанных параметрических взаимодействиях, протекающих в одном нелинейно-оптическом кристалле, расположенном вне или внутри резонатора. Для эффективной реализации одновременно нескольких параметрических процессов в одном нелинейном кристалленеобходимо создание условий фазового синхронизма для этих процессов. Воднородных нелинейно-оптических кристаллах это можно осуществить только в некоторых частных случаях. В связи с этим для реализации нескольких нелинейно-оптических взаимодействий интерес вызывают неоднородныенелинейные кристаллы, в которых фазовые расстройки можно компенсировать векторами обратной нелинейной решетки.

В многоволновых связанныхпараметрических взаимодействиях возможность одновременной реализациипроцессов смешения оптических частот, наряду с параметрическими процессами преобразования частоты вниз, позволяет переносить квантовые свойства световых полей с одних частот на другие частоты. Методы второй группы позволяют создать компактные источники многомодовых перепутанных3состояний.В последнее десятилетие интенсивные исследования ведутся также в новой области квантовой оптики, использующей пространственные квантовыесвойства света и получившей название квантовое изображение.

Предметомисследований квантового изображения является изучение преобразованияоптического изображения в различных нелинейно-оптических схемах с использованием квантовых особенностей световых полей. Использование оптических изображений в схемах квантовой информации позволяет не только увеличить объемы квантовых данных, обрабатываемых параллельно, нопредложить новые методы обработки изображений, причем использованиеперепутанных состояний улучшает их шумовые характеристики.Цель работыОсновной целью диссертационной работы является исследование квантовых свойств многочастотных полей, одномодовых и многомодовых в пространстве, формируемых в связанных параметрических взаимодействиях,и их применение в квантовой телепортации.Решаемые задачиВ работе решаются следующие задачи:• Исследуются квантовые свойства двух пятичастотных связанных параметрических взаимодействий:1) взаимодействий, состоящих из двух параметрических процессов преобразования частоты вниз и одного процесса преобразования частотывверх, протекающих в поле двух волн накачки; и2) взаимодействий, протекающих в поле одной волны накачки и состоящих из одного параметрического процесса преобразования частоты внизи двух процессов преобразования частоты вверх.• Анализируется возможность применения четырехчастотных перепутанных состояний, генерируемых в связанных параметрических взаимодействиях, в схеме телепортации двухчастотных пространственноодномодовых перепутанных состояний непрерывных переменных.• Изучается генерация перепутанных двухчастотных оптических изображений и исследуются их квантовые свойства в процессе параметрического усиления при низкочастотной накачке.• Исследуется возможность применения перепутанных пространственномногомодовых полей, формируемых в пятичастотных связанных параметрических взаимодействиях, для телепортации перепутанных оптических изображений и анализируется качество телепортации.4Научная новизна• Детально исследованы корреляции фотонов и квадратурных компонентполей двух пятичастотных связанных параметрических взаимодействий.

Обнаружено влияние процессов преобразования частоты вверхна двухчастотную перепутанность.• Впервые показано, что в связанных параметрическом процессе преобразования частоты вниз и двух процессах преобразования частот вверхквантовая перепутанность состояний, формируемая на частотах нижечастоты накачки, преобразуется на частоты выше частоты накачки.• Предложена и исследована схема телепортации перепутанныхпространственно-одномодовых двухчастотных состояний.• Исследованы квантовые характеристики изображений, формируемыхв связанных параметрических взаимодействиях, для конфигураций сблизко и далеко расположенным объектом для входных изображенийна несущих частотах ниже и выше частоты накачки.• Впервые исследована голографическая телепортация перепутанных оптических изображений с использованием пространственномногомодовых четырехчастотных полей, генерируемых в связанномпараметрическом взаимодействии.

Проанализирована точность телепортации изображений в зависимости от соотношения ширин пространственных спектров телепортируемых изображений и вспомогательныхчетырехчастотных полей.• Для схемы телепортации перепутанных изображений детально исследовано влияние размера пикселей регистрирующих устройств на качествотелепортации.Защищаемые положения1. В связанном пятичастотном оптическом параметрическом процессе, состоящем из двух процессов преобразования частоты вниз и одного процесса преобразования частоты вверх, формируются трехчастотные перепутанные состояния. Наличие процесса смешения частот уменьшаетшумовое влияние одного процесса преобразования частоты вниз на другой. При равных коэффициентах нелинейной связи, отвечающих за процесс смешения частот и процесс, шумовое воздействие которого необходимо уменьшить, достигается максимальное уменьшение шума.2.

В связанном параметрическом процессе, протекающем в поле однойволны накачки, состоящем из одного процесса преобразования частоты вниз и двух процессов преобразования частоты вверх формируютсядва двухмодовых перепутанных состояния: на частотах ниже и вышечастоты накачки, а пары мод образуют перепутанные блоки.53. Отношение сигнал/шум усиливаемых и преобразуемых по частоте изображений в связанных процессах: одном преобразовании частоты вниз идвух преобразованиях частоты вверх, протекающих в поле монохроматической плоской волны накачки, в конфигурациях с близким и далеким расположением объекта; стремится с ростом длины взаимодействияк предельному значению 41 .4.

Повышение перепутанности передаваемых состояний как одномодовых,так и многомодовых в пространстве, ведет к снижению, а увеличение перепутанности вспомогательных состояний, генерируемых в связанныходном процессе преобразования частоты вниз и двух преобразованияхчастоты вверх, приводит к увеличению качества телепортации. Согласование ширин пространственных спектров телепортируемых изображений и вспомогательных пространственно-многомодовых полей в схеметелепортации перепутанных изображений повышает качество телепортации.5.

Увеличение размера пикселей детекторов в схеме телепортации перепутанных изображений с использованием вспомогательных четырехчастотных полей уменьшает вклад высоких пространственных частотквантового шума в качество телепортации. При генерации телепортируемых изображений и вспомогательных полей в монохроматическихплоских волнах накачек точность телепортации перепутанных изображений в зависимости от размера пикселей стремится к предельномузначению быстрее, чем точность телепортации неперепутанных изображений.Практическая значимость• Применение связанных оптических параметрических взаимодействийпозволяет решить задачу миниатюризации световых источников многомодовых перепутанных квантовых состояний.• Исследованный связанный параметрический процесс, состоящий из одного параметрического процесса преобразования частоты вниз и двухпроцессов преобразования частоты вверх, можно использовать для генерации двухчастотных перепутанных состояний в ультрафиолетовомдиапазоне, когда с помощью традиционного параметрического преобразования частоты вниз это осуществить не удается из-за попаданиячастоты накачки в область поглощения нелинейного кристалла.• Перепутанность между блоками мод, формируемая в исследованномсвязанном параметрическом процессе, можно использовать в схемах передачи информации между двумя парами действующих лиц.6• Исследованная двухчастотная перепутанность как пространственноодномодовых, так и пространственно-многомодовых полей, формируемая в связанных параметрических процессах, может найти применениев схемах передачи двухчастотных перепутанных состояний и оптических изображений.Личный вкладАвтор вместе с научными руководителями принимал участие в постановкезадач и обсуждении полученных результатов.