Автореферат (1149653), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Произведены оценки числа эффективно записываемых и считываемых пространственных мод в предложенных протоколах квантовой памяти.4. Найдены способы пространственной и временной адресации на этапе чтения в предложенных моделях квантовой памяти.55. Предложен протокол квантовой памяти, работающий в режиме смешенияамплитуд последовательности разделенных во времени квантованных импульсов света.Научная и практическая значимость. Предложенные в диссертационной работе протоколы параллельной квантовой памяти в резонаторной конфигурации могут быть использованы в качестве узлов в системах квантовой коммуникации, оптического квантового компьютера, квантовой криптографии. Найденные параметры квантовой памяти – число эффективно запоминаемых и считываемых мод – привязаны к параметрам экспериментов, выполняемых в ведущих лабораториях мира.Апробация работы. По материалам диссертации выполнены доклады наследующих конференциях, семинарах и школах: Strong Light-Matter Coupling:from atoms to solid-state systems (Singapore, 2012); 19th Central European Workshopon Quantum Optics, CEWQO-2012, (Sinaia, Romania, 2012); ICAP summer school(Paris, France, 2012); 23rd International Conference on Atomic Physics,ICAP2012 (Paris, France, 2012); VII Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики»,ФПО-2012 (Санкт-Петербург, 2012); RQC Spring School(Russian Quantum Center, Moscow, 2013); Восьмой семинар Д.Н.
Клышко (МГУ,Москва, 2013); 20th Central European Workshop on Quantum Optics, CEWQO2013, (Stockholm, Sweden, 2013); RQC Summer School (Russian Quantum Center,Moscow, 2013); The Second International Conference on Quantum Technologies(Moscow, 2013); International conference on problems of strongly correlated andinteracting systems (St. Petersburg, 2014); 21st Central European Workshop onQuantum Optics, CEWQO-2014, (Brussels, Belgium, 2014); Photon 2014 (ImperialCollege London, London, UK, 2014); XV Школа молодых ученых «Актуальныепроблемы физики» (ФИАН, Москва, 2014); Восьмой семинар Д.Н.
Клышко(МГУ, Москва, 2015); The Third International Conference on Quantum Technologies(Moscow, 2015); XII Международные чтения по квантовой оптике (Москва, Троицк, 2015); The 24th annual International Laser Physics Workshop, LPHYS’15(Shanghai, China, 2015); IX Международная конференция молодых ученыхи специалистов «Оптика – 2015» (Санкт-Петербург, 2015); XIV InternationalConference on Quantum Optics and Quantum Information (Minsk, Belarus, 2015);а также на городском межинститутском семинаре по квантовой оптике при РГПУ им.
А.И. Герцена.Публикации. Основное содержание и результаты диссертации отраженыв трех публикациях в реферируемых журналах [A1–A3].Личный вклад. Основные результаты, представленные в диссертации,получены автором лично; выбор общего направления исследования, обсужде6ние и постановка рассматриваемых задач осуществлялись совместно с научнымруководителем.Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения и двух приложений. Полный объем диссертации составляет106 страниц с 22 рисунками. Список литературы содержит 90 наименований.Содержание работыВо введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы,сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а также отражены еенаучная новизна, практическая значимость и основные защищаемые положения.Кроме того, приводятся сведения о публикациях и апробации результатов.Первая глава посвящена обзору научной литературы, относящейся к теме исследования.
Описываются основные направления развития квантовой теории информации, производится классификация оптической квантовой памяти посоотношению частот и скорости изменения управляющего и сигнального полейи частот переходов в атомах. Отдельно рассматриваются резонаторные модели памяти, а также многомодовые протоколы квантовой памяти. Обсуждаютсякритерии оценки квантовой памяти такие, как эффективность, верность, времяхранения, возможность считывания «по требованию», многомодовость и адресуемость.
Описывается возможное применение квантовой памяти в протоколахквантовой информации – в квантовых повторителях, позволяющих передаватьквантовую информацию на большие расстояния, и в линейных оптических вычислениях. Отражены как теоретические предложения, так и основные экспериментальные достижения в области исследования.Во второй главе построена теоретическая модель обсуждаемой в диссертации квантовой памяти, рис. 1.
Рассматривается кольцевой продольно одномодовый резонатор, способный поддерживать много поперечных мод (в приближении плоских волн), на входное зеркало которого падает слабый квантованныйимпульс света (сигнал), несущий оптическое изображение, то есть пространственно многомодовый (под «модой» в данной работе понимается либо пиксел –минимальный размер изображения, эффективно обрабатываемый системой, либо плоская волна с заданной поперечной компонентой волнового вектора q).Хранящей средой является протяженный ансамбль холодных атомов, помещенный внутри резонатора. Атомы обладают спином 1/2 в основном и возбужденном состояниях и находятся в постоянном магнитном поле, которое вызываетрасщепление нижних подуровней на величину Ω.
Ансамбль атомов описывается в приближении не меняющейся населенности одного из нижних подуровней. Описание высокодобротного резонатора вводится в рамках «in-out» теории7Рисунок 1: Схема объемной квантовой голограммы в резонаторной конфигурации длявстречной геометрии сигнального и опорного полей и схема энергетических уровней атомови световых полей.для классических полей с последующим переходом к квантованным амплитудам. Опорное поле является сильным классическим полем; рассматриваютсядве геометрии распространения сигнального и опорного полей – сонаправленная и встречная.
Частоты сигнального и опорного полей сильно отстроеныот частоты оптического перехода атомов, что позволяет рассматривать взаимодействие в терминах эффективного гамильтониана (гамильтониана квантовогонеразрушающего взаимодействия), [1]. Эффективный гамильтониан порождаетдва процесса в четырехуровневой схеме атомов: 1) размен кванта сигнальногополя на квант коллективной спиновой когерентности – процесс обмена состояниями между сигнальным полем и атомным ансамблем, выделяемый условием = + Ω, 2) одновременное рождение квантов сигнального поля и спиновой когерентности – процесс генерации сжатых и перепутанных состояний для = −Ω. В предположении, что магнитное расщепление нижних подуровнеймного больше спектральной ширины линии резонатора, мы можем (к примеру,за счет выбора собственной частоты резонатора) поддерживать развитие одногоиз этих каналов и подавлять другой.
В данной работе акцент делается на изучении свойств канала обмена состояниями. Данная модель квантовой памятиявляется вариацией объемной квантовой голограммы, предложенной в [5], дляслучая атомной среды, помещенной в резонатор, и была предложена в [A1].8Результатом настоящей главы являются уравнения эволюции, описывающие развитие системы:(︁ 1)︁(q, ) = − + Δ(q) (q, ) − ( )(q − q , ) + () (q, ),2(q, ) = −* ( )(q + q , ),() (q, ) = (q, ) − () (q, ).Операторы, входящие в эти уравнения, определены так, что величина† (q, )(q, ) есть оператор числа фотонов в моде q внутри резонатора, † (q, )(q, ) – оператор числа возбуждений в моде q в коллективной спиновойкогерентности, ()† (q, )() (q, ) – оператор числа фотонов в моде q, падающих на входное зеркало за время −1 жизни поля в резонаторе (аналогичноопределено отходящее от резонатора поле () ). Безразмерный параметр связи ( ), определяющий скорость взаимодействия резонаторного поля и ансамбля атомов, прямо пропорционален зависящей от времени медленной амплитудеопорного поля, которое в общем случае может иметь небольшой поперечныйволновой вектор q (возникающая в этом случае поперечная адресуемость обсуждается в четвертой главе).
Входящая в определение отстройкиΔ(q) = ( − )/ + 2 /2величина2 = 2 /,где – скорость света, определяет характерный дифракционный масштаб задачи: дифракционное расплывание излучения площадки с характерным размером ∼ 2/ за время жизни поля в резонаторе будет сравнимо с размером самойизлучающей площадки.В третьей главе исследуется проблема записи пространственно многомодового квантованного сигнала в рассматриваемой схеме квантовой памяти.Резонатор, с одной стороны, за счет многократного прохождения света через ансамбль атомов увеличивает эффективную оптическую толщину среды, с другойстороны, он вносит дополнительные потери, связанные с отражением приходящего импульса света от входного зеркала. Способы решения последней проблемы активно обсуждаются в литературе [6] и условно могут быть разделены надве категории: подход с обращением сигнала и подход с согласованием импеданса.
Первый заключается в возбуждении пустого (то есть в отсутствии опорного поля) резонатора квантованным импульсом света растущей экспоненциальновременной формы и последующим быстрым перебросом состояния резонаторного поля на коллективное состояние ансамбля атомов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
