Диссертация (Генерация, передача и хранение широкополосного яркого излучения в квантовой оптике и квантовой информатике)

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåòÍà ïðàâàõ ðóêîïèñèÃîëóáåâà Òàòüÿíà ÞðüåâíàÃåíåðàöèÿ, ïåðåäà÷à è õðàíåíèåøèðîêîïîëîñíîãî ÿðêîãî èçëó÷åíèÿâ êâàíòîâîé îïòèêåè êâàíòîâîé èíôîðìàòèêåÄèññåðòàöèÿ íà ñîèñêàíèå ó÷åíîé ñòåïåíèäîêòîðà ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóêÑïåöèàëüíîñòü: 01.04.05 îïòèêàÑàíêò-Ïåòåðáóðã2014ÎãëàâëåíèåÂâåäåíèå61 Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ âèêñåëîâ: ãåíåðàöèÿ ïîëÿðèçàöèîííî ñæàòîãî ñâåòà171.11.21.31.41.51.61.71.81.9Ìîäåëü âèêñåëà .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Îñíîâíûå óðàâíåíèÿ ëàçåðíîé ãåíåðàöèè . . . . . . . . . . . . . . . . .Àäèàáàòè÷åñêîå ïðèáëèæåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ïîëóêëàññè÷åñêèå ñòàöèîíàðíûå ðåøåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . .

.Ëèíåàðèçàöèÿ îñíîâíûõ óðàâíåíèé îêîëî ñòàöèîíàðíûõ ïîëóêëàññè÷åñêèõ ðåøåíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ðåøåíèÿ äëÿ ñïåêòðàëüíûõ êâàäðàòóð . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ïàðíûå ñïåêòðàëüíûå êîððåëÿöèîííûå ôóíêöèè äëÿ êâàäðàòóð ïîëÿãåíåðàöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .Êâàíòîâûå ïîëÿðèçàöèîííûå ñîñòîÿíèÿ ñâåòà . . . . . . . . . . . . . . .1.8.1 Êâàíòîâûå ïàðàìåòðû Ñòîêñà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.8.2 Èçìåðåíèå êëàññè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ Ñòîêñà . . . . . . . . . . . .1.8.3 Íàáëþäåíèå ñïåêòðà ôëóêòóàöèé êâàíòîâûõ ïàðàìåòðîâ Ñòîêñà1.8.4 Ôîðìàëüíûå ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó ñïåêòðàëüíûìè ïëîòíîñòÿìèêâàíòîâûõ ïàðàìåòðîâ Ñòîêñà è êâàäðàòóðíûìè êîìïîíåíòàìè1.8.5 Ïîëÿðèçàöèîííîå ñæàòèå â âèêñåëå . . . . . . . .

. . . . . . . . .Âèêñåë ñ îäèíàêîâûìè âðåìåíàìè æèçíè óðîâíåé . . . . . . . . . . . . .19212324262830313135363941462 Ñïåêòðàëüíûå êâàíòîâûå ñâîéñòâà èçëó÷åíèÿ òðåõìîäîâîãî ïàðàìåòðè÷åñêîãî ãåíåðàòîðà â íàäïîðîãîâîì ðåæèìå552.12.22.32.42.5Ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü è îñíîâíûå óðàâíåíèÿ . .

. . . . . . . . . . . . . .Ñòàöèîíàðíûå ðåøåíèÿ äëÿ êëàññè÷åñêîé òåîðèè TROPO . . . . . . .Ëèíåàðèçàöèÿ îñíîâíîãî óðàâíåíèÿ ïî ìàëûì ôëóêòóàöèÿì àìïëèòóäè ôàç . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Âíóòðèðåçîíàòîðíûå ñïåêòðàëüíûå ïëîòíîñòè øóìîâ . . . . . . . . .Êîððåëÿöèè äëÿ íàáëþäàåìûõ ïîëåé ñíàðóæè ðåçîíàòîðà . . . . . . .2.5.1 Êîâàðèàöèîííàÿ ìàòðèöà . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .2.5.2 Ñòåïåíü ÷èñòîòû äëÿ îñöèëëÿòîðà â ãàóññîâñêîì ñîñòîÿíèè . .2.5.3 Ñïåêòðàëüíàÿ ÷èñòîòà êâàíòîâîãî ñîñòîÿíèÿ ïîëÿ . . . . . . .2. 57. 59......616366687071Îãëàâëåíèå2.5.43Ñïåêòðàëüíàÿ ñòåïåíü ÷èñòîòû äëÿ íàäïîðîãîâîé ãåíåðàöèè TROPOc ñèììåòðè÷íîé ñèíõðîíèçàöèåé . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . 733 Èñòî÷íèêè øèðîêîïîëîñíîãî ñæàòîãî ñâåòà3.13.2Òåîðèÿ âûðîæäåííîãî ïàðàìåòðè÷åñêîãî ãåíåðàòîðà ñâåòà íàä ïîðîãîìãåíåðàöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1.1 Ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü ÂÏÃÑ.Óðàâíåíèÿ Ãàéçåíáåðãà-Ëàíæåâåíà . . . . . .

. . . . . . . . . .3.1.2 Ïîëóêëàññè÷åñêèå ñòàöèîíàðíûå ðåøåíèÿ . . . . . . . . . . . .3.1.3 Ôëóêòóàöèè ïîëåé. Ëèíåàðèçàöèÿ óðàâíåíèé Ãàéçåíáåðãà-Ëàíæåâåíà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1.4 Ñïåêòðàëüíûå ïëîòíîñòè êâàäðàòóðíûõ êîìïîíåíò ñâåòà íà âûõîäå ÂÏÃÑ . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.1.5 Íàñêîëüêî áëèçêî âîçìîæíî "ïîäîéòè"ê ïîðîãó? . . . . . . . .Òåîðèÿ îäíîìîäîâîãî ñóáïóàññîíîâñêîãî ëàçåðà ñ çàõâàòîì ôàçû . . .3.2.1 Ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü è óðàâíåíèÿ Ãàéçåíáåðãà-Ëàíæåâåíà . . . .3.2.2 Ëèíåàðèçàöèÿ óðàâíåíèé îòíîñèòåëüíî ìàëûõ ôëóêòóàöèé . .3.2.3 Cðåäíåêâàäðàòè÷íûå ôëóêòóàöèè êâàäðàòóð ïîëÿ âíóòðè è ñíàðóæè ðåçîíàòîðà . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2.4 Çàõâàò ôàçû ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . .83. 84. 84. 86. 87.....89929395100. 102. 1044 Ïèêñåëüíûé èñòî÷íèê ïðîñòðàíñòâåííî ìíîãîìîäîâîãî ïåðåïóòàííîãî ñâåòà1084.14.24.34.4Ïðÿìîå èçìåðåíèå êâàäðàòóðíûõ êîìïîíåíò ïîëÿ â äàëüíåé çîíå . . .4.1.1 Ñõåìà ñ îäèíî÷íûì èñòî÷íèêîì ÿðêîãî êîãåðåíòíîãî ñâåòà . .4.1.2 Ñõåìà ñ äâóìÿ êîãåðåíòíûìè èñòî÷íèêàìè .

. . . . . . . . . . .±äåòåêòèðîâàíèå â ñõåìå ñ âûðîæäåííûì ïàðàìåòðè÷åñêèì ãåíåðàòîðîì ñâåòà (ÂÏÃÑ) èëè ñóáïóàññîíîâñêèì ëàçåðîì ñ çàõâàòîì ôàçû .±äåòåêòèðîâàíèå ñ ïèêñåëüíûì èñòî÷íèêîì: ìàññèâ êîãåðåíòíûõ òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ïðÿìîå èçìåðåíèå ñ îäíèì ïèêñåëüíûì èñòî÷íèêîì . . . .

. . . . . .. 110. 110. 115. 117. 121. 1255 Ïëîòíîå êîäèðîâàíèå îïòè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé5.15.2Ïðîñòðàíñòâåííî-ìíîãîìîäîâûé êàíàë â ñõåìå êâàíòîâîãî ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1.1 Îñíîâû êâàíòîâîãî ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ . . . . . . . . . . . .5.1.2 Îïòè÷åñêàÿ ñõåìà äëÿ êâàíòîâîãî ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ èçîáðàæåíèé . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1.3 Ñâîéñòâà ïðîñòðàíñòâåííî-ìíîãîìîäîâîãî ñæàòîãî ñâåòà . . . .5.1.4 Ïëîòíîñòè ôîòîòîêîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ïðîïóñêíàÿ ñïîñîáíîñòü êàíàëà ñâÿçè . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2.1 Ñòåïåíè ñâîáîäû â øóìîâîì è ñèãíàëüíîì ïîëÿõ . .

. . . . . .130. 132. 132.....1341371391391394Îãëàâëåíèå5.2.2Âçàèìíàÿ èíôîðìàöèÿ Øåííîíà è ïðîïóñêíàÿ ñïîñîáíîñòü ïðîñòðàíñòâåííî-ìíîãîìîäîâîãî êàíàëà ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ . . . 1426 Øèðîêîïîëîñíîå ïëîòíîå êîäèðîâàíèå è òåëåïîðòàöèÿ6.16.26.3Ñóáïóàññîíîâñêèé ëàçåð â ñõåìå êâàíòîâîãî ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ . .6.1.1 Êðèòåðèé Äóàíà äëÿ ïåðåïóòûâàíèÿ ñâåòà â íåïðåðûâíûõ ïåðåìåííûõ .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.1.2 Ñõåìà ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.1.3 Îòíîøåíèå ñèãíàë-øóì â ñïåêòðàëüíîì ïðåäñòàâëåíèè . . . .6.1.4 Âçàèìíàÿ èíôîðìàöèÿ Øåííîíà . . . . . . . . . . . . . . . . .Ïðîòîêîë êâàíòîâîé òåëåïîðòàöèè ñ èñïîëüçîâàíèåì ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.2.1 Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.2.2 Ñïåêòðàëüíàÿ âåðíîñòü ïðîòîêîëà òåëåïîðòàöèè . . . . . . . .Îñîáåííîñòè èñïîëüçîâàíèÿ ÂÏÃÑ â ñõåìàõ ïëîòíîãî êîäèðîâàíèÿ èòåëåïîðòàöèè . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150. 152....152154156158. 161. 161. 163. 1667 Øèðîêîïîëîñíàÿ è ïðîñòðàíñòâåííî ìíîãîìîäîâàÿ êâàíòîâàÿ ïàìÿòü1747.17.27.37.47.57.6Ìîäåëü øèðîêîïîëîñíîé êâàíòîâîé ïàìÿòè . . . . . . . . . . . . . . .7.1.1 Îáùèå ðåøåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .7.1.2 Ðåøåíèÿ äëÿ ïðîöåññîâ çàïèñè è ñ÷èòûâàíèÿ ñèãíàëà . . . . .Îáñóæäåíèå: ïðîöåññ çàïèñè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.2.1 Îöåíêà ïîòåðü â ïðîöåññå çàïèñè . . . . . . . . . . . . . . . . .7.2.2 Ïðèìåíèìîñòü ðåçîíàíñíîãî è ðàìàíîâñêîãî ïðèáëèæåíèé . .Îáñóæäåíèå ïðîöåññà ñ÷èòûâàíèÿ .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.3.1 Îöåíêà ÷èñëà ñîõðàíÿåìûõ ìîä . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ñîõðàíåíèå ñæàòîãî ñâåòà â ÿ÷åéêàõ ïàìÿòè . . . . . . . . . . . . . . .7.4.1 Àäèàáàòè÷åñêàÿ ìîäåëü: îïèñàíèå â òåðìèíàõ íåêàíîíè÷åñêèõàìïëèòóä . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .7.4.2 Øèðîêîïîëîñíàÿ êâàíòîâàÿ ïàìÿòü: ðåøåíèå äëÿ íåêàíîíè÷åñêîé àìïëèòóäû ïîëÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.4.3 Ñïîñîáíîñòü øèðîêîïîëîñíîé è àäèàáàòè÷åñêîé ïàìÿòè ê ñîõðàíåíèþ ñæàòèÿ . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Àíàëèç ñîáñòâåííûõ âðåìåííûõ ìîä øèðîêîïîëîñíîé è àäèàáàòè÷åñêîé êâàíòîâîé ïàìÿòè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7.5.1 Ñðàâíåíèå àêòóàëüíûõ ïàðàìåòðîâ äëÿ äâóõ ìîäåëåé ïàìÿòè .Ýôôåêòèâíîñòü è äðóãèå õàðàêòåðèñòèêè êà÷åñòâà õðàíåíèÿ èíôîðìàöèè . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..........177186190193197202204208210. 213. 219. 220. 225. 230. 232A Ñïåêòð ñæàòèÿ èçîëèðîâàííîãî èìïóëüñà âõîäíîãî ïîëÿ241Çàêëþ÷åíèå245Îãëàâëåíèå5Ñïèñîê èñïîëüçóåìûõ ñîêðàùåíèé253Ëèòåðàòóðà2546ÂâåäåíèåÂâåäåíèåÈíòåíñèâíîå ðàçâèòèå êâàíòîâîé îïòèêè, à òàêæå ñòàíîâëåíèå êâàíòîâîé òåîðèèèíôîðìàöèè, ïðîèçîøåäøèå çà ïîñëåäíèå 20 ëåò, ñôîðìèðîâàëè ðÿä íàïðàâëåíèé,ïîëó÷èâøèõ ñàìîñòîÿòåëüíîå çâó÷àíèå. Ïðåæäå âñåãî, ýòî ïðîáëåìà ãåíåðàöèè ñîñòîÿíèé ñâåòà ñ çàäàííûìè íåêëàññè÷åñêèìè êâàíòîâî-ñòàòèñòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè.Äàëåå ìàíèïóëÿöèÿ òàêèìè ñîñòîÿíèÿìè: èõ ïåðåäà÷à íà òðåáóåìûå ðàññòîÿíèÿ,ïåðåíîñ íà äðóãèå îáúåêòû, èñïîëüçîâàíèå â êà÷åñòâå íîñèòåëÿ èíôîðìàöèè è äð. Âýòîé ñâÿçè ïðèíÿòî ãîâîðèòü î êâàíòîâîì êàíàëå ñâÿçè (èëè èíà÷å, êâàíòîâîì èíôîðìàöèîííîì êàíàëå), êàê î ñèñòåìå ïåðåäà÷è/ïðåîáðàçîâàíèÿ èíôîðìàöèè, èñïîëüçóþùåé â êà÷åñòâå íîñèòåëÿ ñîîáùåíèé êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêèé îáúåêò [20].

Íàêîíåö,îòäåëüíîå ìåñòî çàíèìàåò ïðîáëåìà õðàíåíèÿ êâàíòîâîãî ñèãíàëà, ò.å ôîðìèðîâàíèå"ëèíèè çàäåðæêè" ñâåòà, ïîçâîëÿþùåé èçâëåêàòü íóæíîå êâàíòîâîå ñîñòîÿíèå ïîòðåáîâàíèþ.Èñòî÷íèêè íåêëàññè÷åñêîãî (ñæàòîãî, ïåðåïóòàííîãî) ñâåòà èãðàþò èñêëþ÷èòåëüíóþ ðîëü â çàäà÷àõ êâàíòîâîé îïòèêè. Èìåííî ñâîéñòâàìè èñòî÷íèêîâ îïðåäåëÿþòñÿïîòåíöèàëüíî äîñòèæèìûå êâàíòîâûå ýôôåêòû, îò íèõ çàâèñÿò îñîáåííîñòè ïîñòðîåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ñõåì ñ íåêëàññè÷åñêèì ñâåòîì. Ïîñòðîåíèå êâàíòîâûõ ìîäåëåé äëÿ òàêèõ èñòî÷íèêîâ íà÷àëîñü ñ ñåðåäèíû 80-õ ãîäîâ äâàäöàòîãî âåêà ñ ïåðâûõäåìîíñòðàöèîííûõ ñõåì, óêàçûâàþùèõ íà ïðèíöèïèàëüíóþ âîçìîæíîñòü íàáëþäåíèÿ êâàíòîâûõ ýôôåêòîâ (ñì., íàïðèìåð, [2125]).