Диссертация (1104561), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Термин «скрытые» используется потому, что характерные пространственные распределения (изображения) возможно наблюдатьлишь в корреляционной функции второго порядка по интенсивности, в то времякак само распределение интенсивности не содержит никаких пространственныхчерт изображения. Кроме того, при восстановлении «скрытых» изображенийчасть излучения, используемого для восстановления, не взаимодействует непосредственно с объектом изображения (подобно опорной световой волне лазерапри воспроизведении голограмм).До недавнего времени велись бурные научные исследования с целью определить, является ли наблюдение «скрытых» изображений исключительно квантовой особенностью пространственно перепутанных фотонов, или данный эффект может быть полностью воссоздан с использованием классических полей.Первые теоретические обоснования эффекта «скрытых» изображений [22] основывались на том, что именно перепутывание играет основную роль при извлечении информации о пространственных корреляциях.
Данная точка зрения былаопровергнута после публикации теоретической работы [23] и экспериментальных исследований [24, 25], демонстрирующих, что практически любое «скрытое» изображение может быть воссоздано с использованием только классических источников обладающих корреляционными свойствами. Таким образом7было показано [23], что различие между наблюдаемыми «скрытыми» изображениями от бифотонного или классического (квазитеплового) источника заключается только в видности регистрируемого изображения. В отличие от большого числа экспериментальных и теоретических работ, исследующих «скрытые»изображения объектов, в основе которых по сути лежат попиксельные корреляции, рассмотренные ранее, работ, посвященных изучению пространственныхкорреляций между поперечными модами квазитепловых источников существует очень немного.
Теоретически данные корреляционные свойства были предсказаны еще в 1982 году [26], однако, проведение экспериментальных исследований и сравнение результатов с разложением Шмидта для бифотонного полядо настоящего момента выполнено не было.Тематика поперечных пространственных распределений (мод) как квантовых, так и квазиклассических световых полей является относительно новой,поэтому вопрос о том как наилучшим образом генерировать и производитьдетектирование пространственных состояний является крайне важным на сегодняшний день [27]. Наиболее практичным методом является использованиеактивных фазовых голограмм [28], управление которыми может осуществляться в реальном времени непосредственно в ходе эксперимента [29].
Для восстановления отклика детектора пространственных мод на различные входные распределения поля основополагающим является применение методов квантовойтомографии детекторов [30–32]. Базируясь на методах, используемых в перечисленных работах, в диссертации рассматривается оригинальный подход, позволяющий восстановить отклик детектора пространственных мод на заданнуювходную модуHG ,при том, что сама входная пространственная модаHGв чистом виде не готовится, вместо нее на вход детектора подается смещеннаяв поперечном направлении модаHG00 .Выбор такого необычного входного состояния приводит к появлению спектра входных мод в базисе собственных моддетектора, однако, с экспериментальной точки зрения, данный подход позволяет избежать ошибок связанных с приготовлением мод8HGвысокого порядка,и восстановить только отклик детектора, а не отклик системы: генератор пространственной моды + детектор пространственной моды.Помимо исследования спектра пространственных мод бифотонного поляотдельный как фундаментальный, так и практический интерес представляетквантовая интерференция бифотонных полей.
В отличие от классических экспериментов, в которых характерная интерференционная картина наблюдается в распределении интенсивности, при попадании многофотонных (в простейшем случае бифотонных) полей на вход интерферометра, пространственноераспределение корреляционной функции второго порядка по интенсивности2 = ⟨I1 (1 , 1 )I2 (2 , 2 )⟩устроено более сложным образом [33]. Чаще всего работы по квантовой интерференции базируются на схеме Хонг-У-Манделя [34], вкоторой поперечные координаты1 , 1 и 2 , 2 фиксированы, либо производитсядополнительная пространственная фильтрация излучения при помощи одномодовых волокон. Изучение же поперечной пространственной структуры2 является важной задачей для таких направлений как квантовая литография [35] иквантовая метрология [36, 37]. Оба направления используют свойство сверхразрешения [38], при котором разрешение оптической системы не ограничиваетсяее дифракционным приделом если на вход системы подаются многофотонныеквантовые состояния.Цели и задачи диссертационной работы:Цели исследования:∙Экспериментальное исследование пространственных мод и нахождение соответствующих им собственных значений разложения Шмидта для бифотонного поля, генерируемого в процессе спонтанного параметрическогорассеяния, с применением методов самокалибрующийся томографии.∙Изучение пространственных корреляционных свойств квазитеплового поля в базисе мод Эрмита-Гаусса и сравнение полученных результатов сразложением Шмидта для случая бифотонного поля.9∙Томография детектора пространственных мод и нахождение оптимальных фазовых голограмм для детектирования в базисе мод Эрмита-Гаусса.∙Изучение квантовых интерференционных пространственных распределений, возникающих при использовании бифотонного источника в схеме Юнга.Задачи исследования:∙Создать экспериментальную установку, реализующую проекционные измерения углового спектра бифотонного поля в базисе мод Эрмита-Гаусса.∙Проанализировать полученное в эксперименте разложение по пространственным модам и сравнить его с теоретическим разложением Шмидта.∙Создать экспериментальную установку, позволяющую измерять пространственные корреляционные зависимости от квазитеплового источника излучения.∙Провести анализ полученных корреляционных зависимостей, исследоватьих согласие с теоретической моделью Шелла для тепловых полей.∙Создать экспериментальную установку и провести измерения для калибровки детектора поперечных пространственных мод.∙Создать установку для генерации двухфотонных состояний с возможностью плавной перестройки состояния, поступающего на вход интерферометра Юнга.∙Создать установку для наблюдения квантовой интерференции; получитьхарактреные интерференционные зависимости в корреляционной функции второго порядка по интенсивности; пронаблюдать уменьшение периода интерференции в 2 раза по сравнению с классической интерференциейв схеме Юнга.10Научная новизна.∙Впервые исследованы пространственные корреляционные свойства углового спектра бифотонного поля в базисе мод Эрмита-Гаусса с применением методов самокалибрующейся томографии.∙Впервые изучены пространственные корреляционные зависимости в базисе мод Эрмита-Гаусса для квазитеплового источника излучения.∙Разработан оригинальный метод калибровки детектора пространственныхмод.
Впервые восстановлено POVM разложение для детектора пространственных мод.∙Впервые продемонстрирована устойчивость квантовой интерференционной картины для входного состояния|1, 1⟩при внесении дополнительнойфазовой задержки в один из источников интерферометра Юнга.Теоретическая и практическая значимость.Полученные результаты по исследованию корреляций в пространственныхпоперечных модах от квантового источника могут быть использованы при создании систем квантового распределения ключа с использованием оптическихкудитов.
Применение многомерных носителей информации может увеличитьскорость генерации ключа, а так же повысить дальность секретной связи дляиспользуемых криптографических протоколов.Результаты по изучению пространственных корреляционных свойств квазитепловых источников представляют в основном фундаментальный интерес,но также могут быть применены при регистрации «скрытых» изображений объектов находящихся в поле с тепловой статистикой излучения.Детектор пространственных мод является важным элементом как классических, так и квантовых систем, использующих кодирование на пространственных модах.
Оригинальный метод калибровки таких детекторов, а также результаты по выбору оптимальных фазовых голограмм для данных детекторов11могут найти широкое применение в классической и квантовой связи, например,в современных задачах передачи пространственных состояний через многомодовые или фотонно-кристаллические оптические световоды, или задачах связичерез атмосферный канал.Полученные результаты квантовых интерференционных зависимостей полученных для бифотонного входного состояния в схеме Юнга могут быть применены в схемах квантовой литографии, также при создании высокочувствительных сенсоров с высоким разрешением для задач метрологии и спектроскопии.Положения, выносимые на защиту:1. Применение методов самокалибрующейся томографии позволяет повысить точность восстановления квантовых состояний по значениям проекций и одновременно выявить систематические погрешности эксперимента.2.
Качественное поведение пространственных корреляций (2)квазитеплового источника такой же, как для случая бифотонного поля, генерируемогов процессе спонтанного параметрического рассеяния.3. Предложенный и апробированный метод калибровки детектора пространственных мод Эрмита-Гаусса позволяет использовать только фундаментальную моду на входе для получения отклика на моды высших порядков.4.
Использование фазовых голографических масок с дополнительной амплитудной модуляцией приближает измерения детектора пространственныхмод к идеальным проекциям в базисе мод Эрмита-Гаусса.5. Квантовая интерференционная картина, полученная при входном состоянии|1, 1⟩в схеме Юнга, обладает удвоенным периодом по сравнениюс классическим входным состоянием и не чувствительна к разности фазмежду двумя источниками схемы Юнга.Степень достоверности и апробация результатов.12Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:Бобров И.Б., Страупе С.С., Ковлаков Е.В., Кулик С.П. Пространственныекорреляции в квази- тепловом свете // VIII семинар памяти Д.Н. Клышко.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
