Автореферат (Генерация, передача и хранение широкополосного яркого излучения в квантовой оптике и квантовой информатике)
Описание файла
Файл "Автореферат" внутри архива находится в папке "Генерация, передача и хранение широкополосного яркого излучения в квантовой оптике и квантовой информатике". PDF-файл из архива "Генерация, передача и хранение широкополосного яркого излучения в квантовой оптике и квантовой информатике", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "физико-математические науки" из Аспирантура и докторантура, которые можно найти в файловом архиве СПбГУ. Не смотря на прямую связь этого архива с СПбГУ, его также можно найти и в других разделах. , а ещё этот архив представляет собой докторскую диссертацию, поэтому ещё представлен в разделе всех диссертаций на соискание учёной степени доктора физико-математических наук.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст из PDF
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåòÍà ïðàâàõ ðóêîïèñèÃîëóáåâà Òàòüÿíà ÞðüåâíàÃåíåðàöèÿ, ïåðåäà÷à è õðàíåíèåøèðîêîïîëîñíîãî ÿðêîãî èçëó÷åíèÿâ êâàíòîâîé îïòèêåè êâàíòîâîé èíôîðìàòèêåÑïåöèàëüíîñòü: 01.04.05 îïòèêàÀÂÒÎÐÅÔÅÐÀÒäèññåðòàöèè íà ñîèñêàíèå ó÷åíîé ñòåïåíèäîêòîðà ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóêÑàíêò-Ïåòåðáóðã2014Ðàáîòà âûïîëíåíà â Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêîì ãîñóäàðñòâåííîì óíèâåðñèòåòåÎôèöèàëüíûå îïïîíåíòû:äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê,äîöåíò,Êóëèê Ñåðãåé Ïàâëîâè÷äîêòîð ôèç.-ìàò.
íàóê,ïðîôåññîð,Ñîêîëîâ Èãîðü Ìèõàéëîâè÷äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê,äîöåíò,Òðîøèí Àëåêñàíäð Ñåðãååâè÷Âåäóùàÿ îðãàíèçàöèÿ:Îáúåäèíåííûé Èíñòèòóòßäåðíûõ Èññëåäîâàíèé, ÄóáíàÇàùèòà ñîñòîèòñÿ2014 ã. â÷àñîâ íà çàñåäàíèè äèññåðòàöèîííî-ãî ñîâåòà Ä 212.232.45 ïî çàùèòå äîêòîðñêèõ è êàíäèäàòñêèõ äèññåðòàöèé ïðè ÑàíêòÏåòåðáóðãñêîì ãîñóäàðñòâåííîì óíèâåðñèòåòå, ïî àäðåñó: 198504, ã.
Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, Ïåòðîäâîðåö, Óëüÿíîâñêàÿ óë., ä.1, Ìàëûé êîíôåðåíö-çàë.Ñ äèññåðòàöèåé ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â áèáëèîòåêå èì. Ì.Ãîðüêîãî ÑÏáÃÓ.Àâòîðåôåðàò ðàçîñëàí2014 ã.Ó÷åíûé ñåêðåòàðü Ñîâåòà Ä 212.232.45ïî çàùèòå äîêòîðñêèõ è êàíäèäàòñêèõäèññåðòàöèé,äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê, äîöåíòÑóõîìëèíîâ Â. Ñ.Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ðàáîòûÀêòóàëüíîñòü ðàáîòû. Èíòåíñèâíîå ðàçâèòèå êâàíòîâîé îïòèêè, à òàêæå ñòàíîâëåíèåêâàíòîâîé òåîðèè èíôîðìàöèè, ïðîèçîøåäøèå çà ïîñëåäíèå 20 ëåò, ñôîðìèðîâàëè ðÿä íàïðàâëåíèé, ïîëó÷èâøèõ ñàìîñòîÿòåëüíîå çâó÷àíèå.
Ïðåæäå âñåãî, ýòî ïðîáëåìà ãåíåðàöèèñîñòîÿíèé ñâåòà ñ çàäàííûìè íåêëàññè÷åñêèìè êâàíòîâî-ñòàòèñòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè. Äàëåå ìàíèïóëÿöèÿ òàêèìè ñîñòîÿíèÿìè: èõ ïåðåäà÷à íà òðåáóåìûå ðàññòîÿíèÿ, ïåðåíîñíà äðóãèå îáúåêòû, èñïîëüçîâàíèå â êà÷åñòâå íîñèòåëÿ èíôîðìàöèè è äð.  ýòîé ñâÿçè ïðèíÿòî ãîâîðèòü î êâàíòîâîì êàíàëå ñâÿçè (èëè èíà÷å, êâàíòîâîì èíôîðìàöèîííîìêàíàëå), êàê î ñèñòåìå ïåðåäà÷è/ïðåîáðàçîâàíèÿ èíôîðìàöèè, èñïîëüçóþùåé â êà÷åñòâåíîñèòåëÿ ñîîáùåíèé êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêèé îáúåêò [1].
Íàêîíåö, îòäåëüíîå ìåñòî çàíèìàåò ïðîáëåìà õðàíåíèÿ êâàíòîâîãî ñèãíàëà, ò.å ôîðìèðîâàíèå "ëèíèè çàäåðæêè" ñâåòà,ïîçâîëÿþùåé èçâëåêàòü íóæíîå êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå ïî òðåáîâàíèþ.Èñòî÷íèêè íåêëàññè÷åñêîãî (ñæàòîãî, ïåðåïóòàííîãî) ñâåòà èãðàþò èñêëþ÷èòåëüíóþ ðîëü â çàäà÷àõ êâàíòîâîé îïòèêè. Èìåííî ñâîéñòâàìè èñòî÷íèêîâ îïðåäåëÿþòñÿ ïîòåíöèàëüíî äîñòèæèìûå êâàíòîâûå ýôôåêòû, îò íèõ çàâèñÿò îñîáåííîñòè ïîñòðîåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ñõåì ñ íåêëàññè÷åñêèì ñâåòîì.
Ïîñòðîåíèå êâàíòîâûõ ìîäåëåé äëÿ òàêèõèñòî÷íèêîâ íà÷àëîñü ñ ñåðåäèíû 80-õ ãîäîâ äâàäöàòîãî âåêà ñ ïåðâûõ äåìîíñòðàöèîííûõñõåì, óêàçûâàþùèõ íà ïðèíöèïèàëüíóþ âîçìîæíîñòü íàáëþäåíèÿ êâàíòîâûõ ýôôåêòîâ(ñì., íàïðèìåð, [26]). Äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ñæàòîãî è ïåðåïóòàííîãî ñâåòà îáû÷íî èñïîëüçóþò îäèí èç äâóõ ìåõàíèçìîâ: ïàðàìåòðè÷åñêîå ïðåîáðàçîâàíèå ôîòîíîâ â êðèñòàëëàõ ñêâàäðàòè÷íîé íåëèíåéíîñòüþ [7] èëè ñîçäàíèå ðåãóëÿðíîé ãåíåðàöèè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ(íàïðèìåð, ïóòåì ðåãóëÿðèçàöèè íàêà÷êè) [810]. Ïåðâûé èç ïåðå÷èñëåííûõ ìåõàíèçìîâïðåäïîëàãàåò âîçìîæíîñòü ìàíèïóëèðîâàíèÿ êàê ìàëîôîòîííûìè ïîëÿìè, òàê è ÿðêèìíåêëàññè÷åñêèì ñâåòîì ïðè èñïîëüçîâàíèè ðåçîíàòîðà.
Ãåíåðàòîðû ñ ðåãóëÿðíîé íàêà÷êîé, áóäó÷è ïåðâûìè ñèñòåìàìè, â êîòîðûõ óäàëîñü ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷èòü èçëó÷åíèåñ ñóáïóàññîíîâñêîé ñòàòèñòèêîé [11], è ñåãîäíÿ îñòàþòñÿ íàèáîëåå íàäåæíûìè è îòíîñèòåëüíî ëåãêî ðåàëèçóåìûìè èñòî÷íèêàìè íåêëàññè÷åñêîãî ñâåòà, èñïîëüçóåìûìè óæå íåòîëüêî â íàó÷íûõ ëàáîðàòîðèÿõ, íî è â êîììåð÷åñêèõ öåëÿõ [12].Áîëåå äåòàëüíîå èçó÷åíèå èñòî÷íèêîâ íåêëàññè÷åñêîãî ñâåòà, à òàêæå âîïðîñûïðèìåíåíèÿ òàêîãî ñâåòà â ïðîòîêîëàõ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè, âûäåëèëè, êàê îäèí èç âàæíåéøèõ àñïåêòîâ, ìíîãîìîäîâîñòü è øèðîêîïîëîñíîñòü èçëó÷åíèÿ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òîêàêèì áû íè áûë èñòî÷íèê ñâåòà, âûøåäøåå èçëó÷åíèå âñåãäà îáëàäàåò òîé èëè èíîé3ïîëîñîé èçëó÷åíèÿ.
Òàêèì îáðàçîì, ó÷åò ýòîãî ôàêòîðà íåîáõîäèì äëÿ ïîñòðîåíèÿ àäåêâàòíûõ ôèçè÷åñêèõ ìîäåëåé. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, îêàçàëîñü, ÷òî øèðîêîïîëîñíîñòü ñâåòà ïðåäîñòàâëÿåò äîïîëíèòåëüíûå èíôîðìàöèîííûå âîçìîæíîñòè äëÿ ïåðåäà÷è ñèãíàëîâ.Âîîáùå, óâåëè÷åíèå ÷èñëà ñòåïåíåé ñâîáîäû íîñèòåëÿ èíôîðìàöèè ìóëüòèïëèêàòèâíî óâåëè÷èâàåò èíôîðìàöèîííóþ åìêîñòü êàíàëà. Îäíàêî, äëÿ êâàíòîâîãî êàíàëà íåîáõîäèìîíå òîëüêî èìåòü èíôîðìàöèîííî åìêèé èñòî÷íèê ñèãíàëà, íî è îáåñïå÷èòü ïåðåäà÷ó ýòîéèíôîðìàöèè áåç äîáàâëåíèÿ êâàíòîâûõ øóìîâ, à çíà÷èò ñâåò, èñïîëüçóåìûé äëÿ ïîäàâëåíèÿ øóìîâ â êàíàëå, äîëæåí îáëàäàòü êàê ìèíèìóì òåì æå ÷èñëîì ñòåïåíåé ñâîáîäû,÷òî è ñàì ñèãíàë.Äðóãèì âàæíûì àñïåêòîì ÿâëÿåòñÿ äàëüíîñòü ïåðåäà÷è êâàíòîâîãî ñèãíàëà. Êàêèçâåñòíî, ýôôåêòû äåêîãåðåíöèè ïðèíöèïèàëüíî îãðàíè÷èâàþò äàëüíîñòü ïåðåäà÷è êâàíòîâûõ ñèãíàëîâ.
 îòëè÷èå îò ïåðåäà÷è êëàññè÷åñêèõ ñèãíàëîâ, äîïóñêàþùèõ óñèëåíèåäëÿ óâåëè÷åíèÿ äàëüíîñòè èõ ïåðåäà÷è, êâàíòîâûå ñèãíàëû íå ìîãóò áûòü óñèëåíû áåçäîáàâëåíèÿ øóìà (ýòî äèêòóåòñÿ òåîðåìîé î çàïðåòå êëîíèðîâàíèÿ êâàíòîâûõ ñîñòîÿíèé [1315]). Óñèëèÿ, ïðåäïðèíèìàåìûå äëÿ ïðåîäîëåíèÿ ýôôåêòîâ äåêîãåðåíöèè, ïîçâîëèëè íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ óâåëè÷èòü äàëüíîñòü ðàáîòû èíôîðìàöèîííûõ êàíàëîâ.
Òàê,åñëè â ïåðâûõ ýêñïåðèìåíòàõ ïî ïåðåäà÷å êâàíòîâîãî êëþ÷à [16], âûïîëíåííûõ â 1992ãîäó, ìàêñèìàëüíîå ðàññòîÿíèå ìåæäó èñòî÷íèêîì è ïðèåìíèêîì ñîñòàâëÿëî 30 ñì [17],òî íà íàñòîÿùèé ìîìåíò äàëüíîñòü ïåðåäà÷è ïðåâîñõîäèò 100 êì. Ðåøåíèå ïðîáëåìû ïåðåäà÷è êâàíòîâûõ ñèãíàëîâ íà áîëüøèå ðàññòîÿíèÿ ñâÿçûâàþò ñåãîäíÿ ñ èñïîëüçîâàíèåìêâàíòîâûõ ïîâòîðèòåëåé [1821] óñòðîéñòâ, ïîçâîëÿþùèõ ðàçäåëèòü áîëüøîå ðàññòîÿíèå íà êîðîòêèå ñåãìåíòû, ñâÿçàííûå ìåæäó ñîáîé êâàíòîâûì ïåðåïóòûâàíèåì. Êëþ÷åâûì ìîìåíòîì äëÿ ðåàëèçàöèè òàêèõ ïîâòîðèòåëåé ÿâëÿåòñÿ íàëè÷èå ÿ÷ååê êâàíòîâîéïàìÿòè [22, 23], ïîçâîëÿþùèõ õðàíèòü ïåðåïóòàííûå ñîñòîÿíèÿ íà êàæäîì èç ñåãìåíòîâäî îïðåäåëåííîãî ìîìåíòà.
Ïðè ýòîì òðåáîâàíèÿ, ïðåäúÿâëÿåìûå ê ÿ÷åéêàì ïàìÿòè âðàìêàõ êîíöåïöèè êâàíòîâûõ ïîâòîðèòåëåé î÷åíü âûñîêè: îïåðèðóÿ â êâàíòîâîì ðåæèìå,îíè äîëæíû ðàáîòàòü ñ âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòüþ è äîñòàòî÷íûì áûñòðîäåéñòâèåì.Ïåðâàÿ ìîäåëü ÿ÷åéêè êâàíòîâîé ïàìÿòè îïèðàëàñü íà èñïîëüçîâàíèå ýôôåêòà ýëåêòðîìàãíèòíî-èíäóöèðîâàííîé ïðîçðà÷íîñòè (EIT) â àòîìíîì àíñàìáëå ñ Λêîíôèãóðàöèåé ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåé [24, 25]. Îäíàêî, êàê èçâåñòíî, ñíèæåíèå ãðóïïîâîé ñêîðîñòè ñâåòà çà ñ÷åò ïîâûøåíèÿ äèñïåðñèè ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ íåèçáåæíîñîïðîâîæäàåòñÿ ñóæåíèåì ðàáî÷åé ïîëîñû ÷àñòîò, à çíà÷èò, è ñíèæåíèåì èíôîðìàöèîííîé åìêîñòè ñîîòâåòñòâóþùåãî îïòè÷åñêîãî êàíàëà ñâÿçè [26]. Íà ñåãîäíÿ, âîïðîñ îá4ýôôåêòèâíîñòè ðàáîòû êâàíòîâîé ïàìÿòè îáñóæäàþò â ñîâîêóïíîñòè ñ âîïðîñîì î åå ïðîïóñêíîé ñïîñîáíîñòè [27].
Âñå èçëîæåííîå âûøå ãîâîðèò îá àêòóàëüíîñòè òåìû äàííîãîäèññåðòàöèîííîãî èññëåäîâàíèÿ.Âî ââåäåíèÿõ ê êàæäîé èç ãëàâ äèññåðòàöèè ïðîäåìîíñòðèðîâàíà âûñîêàÿ ñòåïåíüðàçðàáîòàííîñòè íàïðàâëåíèé èññëåäîâàíèÿ.Öåëüþ äàííîé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ èçó÷åíèå ÿðêèõ øèðîêîïîëîñíûõ èëè ìíîãîìîäîâûõ âïðîñòðàíñòâå è/èëè âðåìåíè ñâåòîâûõ ïîëåé â ñæàòîì è ïåðåïóòàííîì ñîñòîÿíèè è àíàëèçèõ ïðèìåíèìîñòè â èíôîðìàöèîííûõ ïðîòîêîëàõ; îáñóæäåíèå âñåãî êîìïëåêñà âîïðîñîâîò ãåíåðàöèè òàêèõ ïîëåé (ñ ðàçëè÷íûìè êâàíòîâî-ñòàòèñòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè), èñïîëüçîâàíèÿ øèðîêîïîëîñíûõ ñâåòîâûõ ïîëåé â êâàíòîâûõ èíôîðìàöèîííûõ êàíàëàõ (â ïðîòîêîëàõ êâàíòîâîãî ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ è òåëåïîðòàöèè), äî èõ õðàíåíèÿ â ÿ÷åéêàõêâàíòîâîé ïàìÿòè.Äëÿ äîñòèæåíèÿ ýòîé öåëè áûëè ïîñòàâëåíû è ðåøåíû ñëåäóþùèå êîíêðåòíûåçàäà÷è:1. Íàéòè êâàíòîâûå ñèñòåìû ñïîñîáíûå ãåíåðèðîâàòü ÿðêèé øèðîêîïîëîñíûé ñâåò ñíåêëàññè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè.
Ïîñòðîèòü êâàíòîâî-ñòàòèñòè÷åñêèå ìîäåëè òàêèõ ñèñòåì è ïîëó÷èòü ïîëíîå òåîðåòè÷åñêîå îïèñàíèå èõ õàðàêòåðèñòèê â ðàìêàõ àïïàðàòàêâàíòîâîé ýëåêòðîäèíàìèêè. Ïîëó÷èòü ðàçëè÷íûå âèäû íåêëàññè÷åñêîãî ñâåòà: øèðîêîïîëîñíûé êâàäðàòóðíî ñæàòûé ñâåò, ïåðåïóòàííûé ñâåò, ïîëÿðèçàöèîííîå ñæàòèå, ïðîñòðàíñòâåííî-ìíîãîìîäîâûé ñæàòûé ñâåò.2. Èññëåäîâàòü ïðèìåíèìîñòü íàéäåííûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà â êâàíòîâûõ èíôîðìàöèîííûõ ïðîòîêîëàõ. Îáîáùèòü ïðîòîêîëû ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ è òåëåïîðòàöèè íàñëó÷àé ìíîãîìîäîâîãî è øèðîêîïîëîñíîãî ñâåòà, íàéòè è îöåíèòü àäåêâàòíûå èíôîðìàöèîííûå ìåðû, õàðàêòåðèçóþùèå êà÷åñòâî ðàáîòû ïðîòîêîëîâ.3.
Ïîñòðîèòü ìîäåëü êâàíòîâîé ïàìÿòè, ïðèãîäíóþ äëÿ ñîõðàíåíèÿ øèðîêîïîëîñíîãî èïðîñòðàíñòâåííî ìíîãîìîäîâîãî íåêëàññè÷åñêîãî ñâåòà. Îöåíèòü âîçìîæíîñòè ñîõðàíåíèÿ ñòàòèñòè÷åñêèõ èíôîðìàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê òàêîãî ñâåòà. Àïðîáèðîâàòüìîäåëü íà ïðèìåðå èçëó÷åíèÿ îò êîíêðåòíûõ èñòî÷íèêîâ.Ïðàêòè÷åñêàÿ çíà÷èìîñòü ðàáîòû îáóñëîâëåíà ïðåæäå âñåãî ðàñòóùèìè ïîòðåáíîñòÿìè êâàíòîâîé èíôîðìàòèêè.  ýòîé ñâÿçè ìû ñòàðàëèñü ïåðåêèíóòü ìîñò îò òðàäè5öèîííûõ ïîäõîäîâ êâàíòîâîé îïòèêè ê èíôîðìàöèîííûì îöåíêàì èññëåäóåìûõ ñèñòåì.Ìû ñäåëàëè àêöåíò íà çàäà÷àõ, îáåñïå÷èâàþùèõ óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè ðàáîòû èíôîðìàöèîííûõ êàíàëîâ è èõ åìêîñòè.
Èñïîëüçîâàíèå ïðîñòðàíñòâåííî ìíîãîìîäîâîãî ñâåòà äåëàåò âîçìîæíûì ðàñïðîñòðàíåíèå åñòåñòâåííîãî îïòè÷åñêîãî ïàðàëëåëèçìà, ïðèñóùåãîêâàíòîâûì èçîáðàæåíèÿì, íà êâàíòîâî-èíôîðìàöèîííûå ïðèëîæåíèÿ. Ïîäîáíàÿ àíàëîãèÿ íàïðàøèâàåòñÿ è äëÿ øèðîêîïîëîñíûõ (îòíîñèòåëüíî âðåìåííîé ïåðåìåííîé) ïîëåé.Ñëåäóåò îòäåëüíî âûäåëèòü âàæíîñòü îïåðèðîâàíèÿ øèðîêîïîëîñíûìè (êîðîòêèìè) èìïóëüñàìè â çàäà÷àõ êâàíòîâîé ïàìÿòè. ß÷åéêè êâàíòîâîé ïàìÿòè ðàññìàòðèâàþòñÿ íàñåãîäíÿ êàê êëþ÷åâîé ýëåìåíò êàíàëîâ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè íà çíà÷èòåëüíûå ðàññòîÿíèÿ, îáåñïå÷èâàÿ âîçìîæíîñòü ôóíêöèîíèðîâàíèÿ êâàíòîâûõ ïîâòîðèòåëåé. Òàêèì îáðàçîì, ïîñêîëüêó èíôîðìàöèîííàÿ åìêîñòü êàíàëîâ ñâÿçè ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò èõ ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ, ÿ÷åéêè ïàìÿòè, áóäó÷è ÷àñòüþ ýòèõ êàíàëîâ è ÿâëÿÿñü ñïåêòðàëüíûìèôèëüòðàìè, íå äîëæíû óõóäøàòü èõ ïðîïóñêíûå ñïîñîáíîñòè.
