Автореферат (Модовый анализ квантовой памяти на холодных и теплых атомных ансамблях)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиТихонов Кирилл СергеевичМодовый анализ квантовой памяти на холодных итеплых атомных ансамбляхСпециальность 01.04.05 – оптикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург2015Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцентГолубева Татьяна ЮрьевнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорМоисеев Сергей Андреевич,Казанский национальный исследовательский технический университет им.

А.Н. Туполевакандидат физико-математических наукЛарионов Николай Владимирович,ФГАОУ ВО Санкт-Петербургский политехническийуниверситет Петра ВеликогоВедущая организация:Акционерное общество «Государственный оптический институт имени С. И. Вавилова» (г. СанктПетербург)2015 г. вна заседании диссертационноЗащита состоится « »го совета Д 212.232.45 по защите докторских и кандидатских диссертаций приСанкт-Петербургском государственном университете по адресу:198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул. 1,малый конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им.

М. ГорькогоСПбГУ по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.Диссертация и автореферат размещены на сайте www.spbu.ru.Автореферат разослан «»2015 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.232.45,доктор физ.-мат. наук, доцентСухомлинов В.С.Общая характеристика работыНастоящая работа посвящена теоретическому изучению протокола многомодовой быстрой резонансной квантовой памяти.Обычно под квантовой памятью в широком смысле понимают некоторыйфизический прибор, с помощью которого можно записать, сохранить и воспроизвести квантовую информацию с учетом всех ее существенных аспектов [1, 2].В частности, одним из таких аспектов, который в наибольшей степени характеризует отличие квантовой информации от классической, является то, что ееносителем выступает квантовое состояние физического объекта.

Это означает,что даже единичное измерение, произведенное над объектом, разрушит его состояние необратимым образом, и при этом в силу принципа запрета клонирования [3, 4] не существует никакой возможности приготовить его точную копию.Отсюда следует, что привычная для классической информации схема хранения,подразумевающая ее непосредственное считывание (т.е. измерение) уже на этапе записи, оказывается непригодной, поэтому для сохранения квантовой информации должна быть создана своего рода "линия задержки" , которая в идеалепозволила бы сохранять квантовую информацию сколь угодно долго.Сегодня наиболее перспективными носителями квантовой информации сточки зрения информационных и телекоммуникационных приложений являются импульсы света, и кажется вполне естественным и логичным использоватьдля их хранения, например, оптические резонаторы и волоконно-оптические линии задержки.

Однако из-за физических потерь, вызванных несовершенствомприборов, а также влиянием окружения (декогеренции), время хранения будетсущественным образом ограничено, поэтому широко изучается иной подход,предполагающий перенос квантового состояния светового импульса на квантовое состояние другой "долгоживущей" системы и обратно. В качестве такойсистемы могут выступать квантовые точки, дефекты в кристаллах, одиночныеатомы в оптических ловушках или, к примеру, атомные ансамбли. Последниеоказываются особенно удобными для сохранения квантовых гауссовских состояний, которые, как было показано в работе [5], обладают наибольшей возможнойинформационной емкостью.Квантовая память на атомных ансамблях может быть реализована рядом различных способов, каждый из которых базируется на определенном физическом процессе или типе взаимодействия атомов ансамбля с излучением.

Вкачестве наиболее известных выделяют протоколы квантовой памяти [1, 2], основанные на явлениях электромагнитной индуцированной прозрачности (EIT),квантового неразрушающего взаимодействия (QND), рамановского (или комбинационного) рассеяния, фотонного эха. Кроме них, сравнительно недавно были3предложены модели адиабатической [6] и быстрой резонансной квантовой памяти [7].

Последняя интересна тем, что позволяет реализовать широкополосныйквантовый информационный канал, отличающийся большой пропускной способностью, что очень важно с точки зрения квантовой информатики.Анализ того или иного протокола подразумевает изучение его работыв мысленных экспериментах по сохранению импульсов света с важными дляразнообразных приложений квантово-статистическими свойствами: например,сжатием или перепутыванием (entanglement). Для оценки работы квантовой памяти существуют различные критерии [1,2] такие, как верность (fidelity), эффективность (efficiency), время хранения, масштабируемость, спектральная ширина.Также особое внимание в последнее время уделяют многомодовости памяти, т.е.возможности увеличить общую пропускную способность за счет выделения набора независимых собственных мод, каждая их которых позволяет реализоватьотдельный информационный квантовый канал.

Стоит заметить, что последнийаспект требует к себе внимательного отношения, так как некоторые привычныепредставления о "механизмах" работы квантовой памяти, основанные на исследованиях, посвященных одномодовым протоколам [8], перестают действовать.Кроме того, при построении теоретической модели как правило прибегают ктем или иным приближениям, которые позволяют значительно упростить решение задачи, но при этом накладывают довольно серьезные ограничения нафизическую реализацию протокола. В частности, одним из таких приближенийявляется рассмотрение атомов без учета их движения, и, несмотря на то, что создать такие условия, при которых атомы можно считать неподвижными, вполневозможно, это требует серьезных усилий и больших затрат ресурсов.В соответствии с вышеизложенным всестороннее теоретическое исследование протокола многомодовой быстрой резонансной квантовой памяти представляется актуальной задачей.Целью данной работы является изучение способностей протокола многомодовой быстрой резонансной квантовой памяти к сохранению широкополосного неклассического света с учетом движения атомов.Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:1.

Изучить имеющиеся работы по протоколу быстрой квантовой памяти и осуществить обобщение теоретической модели с учетом продольного движения атомной среды. Получить полное теоретическое описание характеристик такой модели в рамках аппарата квантовой электродинамики.2. Численно построить и проанализировать временные собственные модыполного цикла памяти для случая неподвижных атомов. Сравнить пропуск4ную способность квантового информационного канала, включающего в себя ячейку быстрой резонансной квантовой памяти, с каналом, включающимадиабатическую квантовую память.

Найти функции отклика среды, то естьпространственные профили распределения когерентности, отвечающие соответствующим временным собственным модам.3. Исследовать работу протокола быстрой резонансной квантовой памяти присохранении квадратурно-сжатого импульса света, полученного от реальногоисточника излучения (субпуассоновского лазера с захватом фазы), и сравнить степени сжатия импульса на выходе из ячейки с эффективностью егоработы, основываясь на анализе временных собственных мод.4. Исследовать работу протокола многомодовой квантовой памяти при сохранении перепутанных импульсов света, полученных от реального источникаизлучения (субпуассоновского лазера с захватом фазы), для случаев, когдаоба импульса сохраняются в двух одинаковых и двух разных ячейках памяти, и случая, когда сохраняется только один из этих импульсов.

Сделатьчисленные оценки сохранения перепутывания для рассматриваемого протокола.5. Численно рассчитать и проанализировать эффект "размывания" найденныхфункций отклика, вызванный продольным тепловым движением атомов, иэффективности полного цикла памяти для двух случаев, когда атомы находятся внутри магнито-оптической ловушки и ничто не мешает их свободному разлету, и случая, когда атомы находятся внутри замкнутой ячейки, врезультате чего устанавливается однородное распределение когерентностив процессе хранения.6. Оптимизировать протокол быстрой резонансной квантовой памяти с учетомпродольного теплового движения атомов и построить собственные функцииполного цикла памяти для того, чтобы найти временной профиль сигнального поля, который обеспечит наибольшую возможную эффективность.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Обобщение модели быстрой резонансной квантовой памяти на случай теплового движения атомов демонстрирует сохранение света на квантовомуровне.2. Анализ мод Шмидта для протокола быстрой резонансной квантовой памятив случае неподвижных атомов иллюстрирует спектральную широкополосность собственных мод и фильтрующие свойства рассматриваемой моделипамяти.53. Протокол многомодовой быстрой резонансной квантовой памяти способенхорошо сохранять сжатые и перепутанные квантовые состояния света отреальных источников излучения таких, как субпуассоновский лазер с захватом фазы.4. Даже при значительных продольных смещениях атомов во время этапа хранения ячейка быстрой резонансной квантовой памяти способна работать вквантовом режиме.

Более того, квантовый характер памяти сохраняется ипри полном перемешивании атомов в ячейке.5. Различные временные профили мод обладают разной устойчивостью к тепловому движению атомов и могут сохраняться на квантовом уровне различное время.6. Протокол быстрой резонансной квантовой памяти для тепловых атомныхансамблей может быть оптимизирован путем поиска собственных функцийзадачи, включающих этап хранения.Научная новизна:1. Впервые была построена модель быстрой резонансной квантовой памяти сучетом продольного движения атомной среды.2. Были исследованы и проанализированы моды Шмидта для случая неподвижных атомов, а также рассмотрены возможности их использования длясоздания квантового информационного канала с большой пропускной способностью. Был обнаружен режим, при котором ячейка квантовой памятиобладает интересными фильтрующими свойствами.3.