Управление частотно-угловым спектром бифотонного поля (1102936)
Текст из файла
На правах рукописиКатамадзе Константин ГригорьевичУправление частотно-угловым спектромбифотонного поля01.04.21 – Лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физическогофакультета Федерального государственного бюджетногообразовательного учреждения высшего профессионального образования«Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова» .Научный руководитель:д.
ф.-м. н., проф. Кулик Сергей ПавловичОфициальные оппоненты:д. ф.-м. н., проф. Федоров Михаил Владимирович,Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, Москвад. ф.-м. н., проф. Вятчанин Сергей Петрович,Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М. В.
Ломоносова», МоскваВедущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский физико-технический институт им. Е. К. ЗавойскогоКазанского научного центра Российской академии наук, КазаньЗащита состоится «23» мая 2013 г. в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.501.001.31 в Московском государственном университетеимени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы,МГУ, ул.
Академика Хохлова, дом 1, корпус нелинейной оптики, аудиторияимени С. А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М. В. Ломоносова.Автореферат разослан «» апреля 2013 г.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретарядиссертационного совета.Ученый секретарь диссертационного совета, к.
ф.-м. н.2Коновко А. А.Общая характеристика работыЗадача управления квантовыми системами является одной из передовых задач современной физики. На сегодняшний день существует очень ограниченный набор простейших квантовых систем, состоянием которых можноуправлять экспериментально. Среди них атомы и ионы в ловушках [5, 6],квантовые точки [7], дефекты кристаллических решеток [8], сверхпроводящие электрические цепи [9] и свет.
Задача приготовления заданного квантового состояния системы (quantum state engineering) представляет интерес какс фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Среди приложенийможно выделить две группы. Во-первых, управление квантовыми системамипредставляет интерес для задач квантовой информации [10]. Кодирование информации квантовыми состояниями системы позволяет представить информацию в виде квантовых битов (кубитов), которые могут находиться не только в состояниях «0» и «1», но и в их произвольной суперпозиции.
Созданиеквантового компьютера — устройства, способного производить произвольные операции с большим числом кубитов, — позволит решать задачи, недоступные классическим компьютерам. Кроме того, уже сегодня использованиеквантовой информации в задачах секретной связи позволяет реализовыватьпротоколы квантовой криптографии — алгоритмы секретной передачи данных, секретность которых основана на фундаментальных законах физики.Во-вторых, квантовые системы обладают предельной чувствительностью кслабым возмущениям, поэтому задача управления квантовыми системами находит разные применения в метрологических задачах [11].Среди квантовых систем, доступных для управления, выделяется свет —это единственная система, позволяющая реализовать перенос квантовой информации на значительные расстояния.
Во всех реализованных протоколахквантовой связи кубиты кодируются разными квантовыми состояниями света. Как правило, в таких задачах используются фоковские состояния светас заданным числом фотонов [12], причем в большинстве задач это число непревышает двух. Таким образом, наиболее востребованными квантовыми состояниями света являются однофотонное и бифотонное поле. Причем одиниз наиболее популярных источников однофотонного поля представляет со3бой источник бифотонного поля, второй фотон которого используется длясинхронизации [13–16].
Кроме того, бифотонное поле — простейшее состояние света, демонстрирующее такое квантовое свойство, не имеющее аналоговв классической физике, как перепутанность (entanglement). Перепутанностьмногокомпонентной системы означает, что волновая функция этой системыне представима в виде произведения волновых функций ее компонент. Перепутанность лежит в основе алгоритмов квантовых вычислений, квантовойтелепортации и некоторых протоколов квантовой криптографии.Состояние бифотонного поля характеризуется поляризационными, пространственно-угловыми и частотно-временными параметрами.
Управлениеполяризационными состояниями на сегодняшний день не представляет практической сложности [17–21], однако поляризационный базис однофотонногосостояния состоит лишь из двух элементов, что существенно ограничиваетего применение для задач квантовой информации. В то же время частотный и угловой базисы принципиально не ограничены, поэтому управлениечастотно-угловым спектром бифотонного поля имеет неизмеримо большийпотенциал для практических применений.
В частности, протоколы квантовой криптографии, использующие многомерные системы в качестве носителей информации, обладают большей устойчивостью к шумам в канале связи[22–25].Соответственно, актуальность работы обусловлена как фундаментальным интересом к проблемам, связанным с управлением квантовым состоянием бифотонного поля, на основе которого возможно конструирование иуправление многомерными перепутанными состояниями пар фотонов для задач квантовой информатики, так и практическим применением источниковбифотонного поля с широким спектром в задачах, для которых необходимывысококоррелированные по времени пары фотонов.Цель диссертационной работысостоит в разработке новых способов управления частотно-угловым спектром бифотонного поля, экспериментальном и теоретическом исследовании возможностей этих способов, а такжесравнении их с существующими на сегодняшний день.Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:1. Проведен обзор и систематизация существующих на данный момент4способов управления спектром бифотонного поля.2.
Исследован способ генерации бифотонного поля с широким спектром втонком нелинейном кристалле, помещенном внутрь лазерного резонатора.3. Исследован способ управления частотно-угловым спектром бифотонного поля за счет неоднородного нагрева нелинейного кристалла.4.
Исследован способ управления частотно-угловым спектром бифотонного поля за счет приложения к нелинейному кристаллу неоднородногоэлектростатического поля.Научная новизнадиссертационной работы заключается в следующихположениях:1. Впервые экспериментально продемонстрирован источник бифотонногополя высокой интенсивности с широким спектром, созданный на основе процесса спонтанного параметрического рассеяния света в тонкомнелинейном кристалле, помещенном внутрь резонатора лазера.2.
Впервые экспериментально и теоретически исследован способ управления частотно-угловым спектром бифотонного поля за счет приложенияк нелинейному кристаллу неоднородного электростатического поля.3. Впервые экспериментально и теоретически исследован способ управления частотно-угловым спектром бифотонного поля за счет неоднородного нагрева нелинейного кристалла.Практическая значимость.Результаты, изложенные в диссертации,могут быть использованы как для задач квантовой информатики и квантовойсвязи (нелинейные оптические квантовые вычисления, квантовая криптография), так и в метрологических задачах (квантовая оптическая когерентнаятомография [26], квантовая интерферометрическая литография [27], нелинейная микроскопия [28], синхронизация удаленных часов [29]).На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:51.
Предложены способы увеличения степени перепутанности спектрального состояния бифотонного поля, а также уменьшения его временикорреляции. В основе предложенных способов лежит как однородное,так и неоднородное уширение спектра спонтанного параметрическогорассеяния света.2. В процессе спонтанного параметрического рассеяния света в тонкомнелинейном кристалле, вырезанном под коллинеарный вырожденныйсинхронизм типа I, помещенном внутрь лазерного резонатора, происходит однородное уширение частотного и углового спектра бифотонногополя. При этом малая эффективность нелинейного процесса компенсируется увеличением интенсивности накачки, и результирующая интенсивность поля остается достаточно высокой.3. В процессе спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейном кристалле с пространственной модуляцией показателей преломления в направлении распространения пучка накачки происходит неоднородное уширение частотно-углового спектра бифотонного поля. Пространственная модуляция показателей преломления происходит в результате термо- или электрооптического эффекта.
Изменяя профильраспределения температуры или электростатического поля вдоль направления распространения накачки, можно управлять как шириной,так и формой частотно-углового спектра. Отличительной особенностьютакого неоднородного уширения является возможность управления спектром в частотно-невырожденном режиме.Апробация работы.Основные результаты диссертации докладывалисьна следующих конференциях:1. XIII Международная конференция по квантовой оптике и квантовойинформации, Киев, Украина, 2010 г.2.
5th Workshop ad memoriam of Carlo Novero Advances in Foundations ofQuantum Mechanics and Quantum Information with atoms and photons,Турин, Италия, 2010 г.63. Седьмой семинар Д. Н. Клышко, Москва, Россия, 2011 г.4. 20th International Laser Physics Workshop (LPHYS’11), Сараево, Боснияи Герцеговина, 2011 г.5. 21th International Laser Physics Workshop (LPHYS’12), Калгари, Канада,2012 г.6. Международная конференция «Микро- и наноэлектроника – 2012»(ICMNE-2012), Москва – Звенигород, Россия, 2012 г.Публикации.Материалы диссертации опубликованы в 4 статьях в реферируемых журналах [1–4].Личный вклад автора.Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы.
Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения,обзора литературы, 3 оригинальных глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 131 страница, из них 116 страниц текста, включая 34рисунка. Библиография включает 121 наименование на 15 страницах.Содержание работыВо введенииобоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показанапрактическая значимость полученных результатов, представлены выносимыена защиту научные положения.В обзоре литературыописываются задачи, требующие управленияспектром бифотонного поля, и известные методы, которыми можно осуществить это управление.
Вначале дается определение спектральной амплитуды бифотонного поля и описывается ее связь со спектрами единичных фотоотсчетов и совпадений, со степенью перепутанности и с корреляционными7функциями первого и второго порядков. Для оценки степени перепутанностипо непрерывным переменным используется соотношение Федорова [30–32],равное отношению ширины безусловных и условных распределений. Показано, что ширина частотного спектра пропорциональна степени перепутанности по частотам и обратно пропорциональна временам корреляции первого ивторого порядков, а ширина углового спектра — степени перепутанности поуглам и обратно пропорциональна радиусам корреляции.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
