Диссертация (1149654), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Оптимизация процессов записи и чтения света в резонаторной квантовойпамяти в подходе с согласованием импеданса позволяет эффективно записывать и считывать пространственно многомодовые квантованные импульсы света.63. Управление параметрами опорного поля позволяет осуществить адресуемое чтение квантованных сигналов в протоколах квантовой информации:достигается пространственная 2D-адресуемость либо пространственновременная 2D-адресуемость.4. Предложенная модель квантовой памяти позволяет реализовать квантовоинформационные протоколы, основанные на унитарном управляемом преобразовании амплитуд последовательности квантованных сигналов.Научная новизна:1. Предложены новые протоколы квантовых голограмм на основе пространственно протяженных ансамблей спин–поляризованных атомов в высокодобротном оптическом резонаторе.2.
Для новых протоколов квантовой памяти построены динамические уравнения в представлении Гайзенберга, описывающие эволюцию коллективногоспина атомного ансамбля и взаимодействующего с ним резонаторного поля,возбуждаемого внешним поперечно многомодовым сигналом.3. 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.5. 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:7∙ Strong Light-Matter Coupling: from atoms to solid-state systems, Singapore,2012∙ 19th Central European Workshop on Quantum Optics (CEWQO-2012), Sinaia,Romania, 2012∙ ICAP summer school, Paris, France, 2012∙ 23rd International Conference on Atomic Physics (ICAP 2012), 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 (CEWQO-2013),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 and interactingsystems, St.
Petersburg, 2014∙ 21st Central European Workshop on Quantum Optics (CEWQO-2014), Brussels,Belgium, 2014∙ Photon 2014, Imperial College London, London, UK, 2014∙ XV Школа молодых ученых «Актуальные проблемы 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, 20158∙ The 24th annual International Laser Physics Workshop (LPHYS’15), Shanghai,China, 2015∙ IX Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика– 2015», Санкт-Петербург, 2015∙ XIV International Conference on Quantum Optics and Quantum Information,Minsk, Belarus, 2015∙ а также на городском межинститутском семинаре по квантовой оптике приРГПУ им. А.И. Герцена.Публикации.
Основное содержание и результаты диссертации отраженыв следующих публикациях:∙ А.Н. Ветлугин, И.В. Соколов. Эффективность параллельной квантовой памяти в резонаторной конфигурации. // Оптика и спектроскопия, 2013, том115, № 6, с. 114∙ A.N. Vetlugin and I.V. Sokolov. Addressable parallel cavity-based quantummemory. // Eur. Phys. J. D, 2014, 68, p. 269∙ В.В. Кузьмин, А.Н. Ветлугин, И.В. Соколов. Управление параметрами квантовой памяти для света в резонаторной конфигурации. // Оптика и спектроскопия, 2015, том 119, №6, с.
111∙ A.N. Vetlugin and I.V. Sokolov. Multivariate quantum memory as controllabledelayed multiport beamsplitter // E-print: arXiv:1511.07787, 2015Личный вклад. Основные результаты, представленные в диссертации,получены автором лично; выбор общего направления исследования, обсуждение 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.Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю Ивану Вадимовичу Соколову как за переданный научный9«багаж» – знания и способы их использования, так и, не в меньшей степени, застиль преподавания и отношение к учебному процессу. Особую благодарностьавтор выражает Ю. М. Голубеву и Т.
Ю. Голубевой и всему составу лабораторииквантовой оптики СПбГУ за полезные дискуссии и хорошую атмосферу в коллективе. Автор искренне признателен своему первому научному руководителюО. Д. Москальцу, указавшему путь в науку.Автор выражает искреннюю благодарность людям, присутствие которыхвдохновляет и наполняет жизнь смыслом.
Речь идет, в первую, очередь, о родителях и сестре, любовь и непоколебимая вера которых служила и служит самойбольшой поддержкой, а также о друзьях – неиссякаемом источнике хорошегонастроения и приключений. Таня В., Давид М., Надя К., Катя В., Ренат Ш., АняВ., Саша Л., Саша Ш., Денис А., Лиза Л., Женя К., Алёна М., Вика Г., АлёнаМ. и многие другие сыграли важную роль во время работы над диссертацией.Спасибо, что вы есть!10ГЛАВА1ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫУчет квантовой природы носителей информации привел к рождению иплодотворному развитию квантовой теории информации. Так, невозможностьклонирования квантового состояния, [1] и [2], позволила создать протокол квантовой криптографии [3], предложенный Беннетом и Брассаром, – протокол секретной передачи данных, безопасность которого основана на законах физики ив принципе не может быть нарушена.Теорема о запрете клонирования, на которой основана квантовая криптография, в то же время создает трудности для передачи состояния на большиерасстояния (или с одного объекта на другой).
Квантовая телепортация, предложенная в [4], позволяет решить эту проблему с помощью пары объектов, созданных в перепутанном [5] состоянии и находящихся в момент осуществлениятелепортации в удаленных точках. Измеряя объект, состояние которого нужнопередать, вместе с одним из пары перепутанных объектов в базисе Белла [6], в25 % случаев (при проектировании на синглетное состояние) мы автоматическипереводим второй объект из перепутанной пары в нужное состояние.
Если жееще наладить классический канал, по которому можно передавать информациюоб измерении, то можно достичь телепортации при любом результате измерения.Впервые квантовая телепортация была осуществлена в 1997 году группой Цайлингера [7], рекордная дальность телепортации сегодня составляет 143 км [8].Осуществлению квантовой телепортации на больших расстояниях мешают процессы затухания и декогеренции, так как требуется передавать перепутанные пары в удаленные точки. При работе на больших расстояниях эффектив11нее прямой передачи оказывается протокол квантового повторителя, предложенный в [9]: интервал между двумя узлами, между которыми необходимо создатьперепутанность (и осуществить в дальнейшем телепортацию), разбивается нанесколько отрезков меньшей длины.
На концах каждого отрезка создается перепутанное состояние, которое посредством переброса перепутанности передается на все большее и большее расстояние (пока перепутанными не оказываютсякрайние узлы).Перепутанные состояния являются основным ресурсом и при разработке протоколов квантовых вычислений, идея которых впервые была высказанав 1980-х годах Маниным [10] и Фейнманом. Вскоре Дойчем был предложенквантовый аналог машины Тьюринга – модель универсального квантового компьютера, [11]. Однако более наглядной и продуктивной оказалась модель квантовых вычислений с применением квантовых схем, в которой вычисления представляются набором квантовых гейтов (типа CNOT–операции и однокубитныхвращений), действующих на N-кубитный регистр, [12, 13].
Другая модель квантовых вычислений – однопроходный квантовый компьютер, [14] – используеткласс максимально перепутанных состояний многокубитной системы – кластерные состояния – в качестве начального. Процедура вычислений заключается впоследовательных однокубитных измерениях, причем базис измерения зависитот результатов предыдущих измерений.В качестве носителей информации в обсуждаемых протоколах выступают атомы в микрорезонаторах, «холодные» ионы и атомы в ловушках, примесив кристаллах, атомные пары, квантовые точки, электромагнитные поля и такдалее. Для реализации многих квантово-информационных протоколов или ускорения их работы необходимо эффективно переносить квантовую информацию содного носителя на другой.
Такой перенос осуществляется в протоколе квантовой памяти.Одна из первых работ, в которой была продемонстрирована принципиальная работа квантовой памяти, была выполнена в 1998 году группой С. Ароша [15]. В качестве первичного носителя квантовой информации выступал атомрубидия в суперпозиционном состоянии двух ридберговских уровней. Состояние атома отображалось на состояние моды поля высокодобротного микрорезонатора (суперпозиция фоковских состояний).
Далее это состояние вновь перено-12силось на другой атом рубидия. Таким образом, в этой работе были продемонстрированы запись, хранение и считывание квантовой информации.Однако, в качестве носителя информации наиболее перспективно выглядят световые поля, которые, во-первых, способны быстро переносить квантовую информацию, и, во-вторых, могут быть относительно легко изолированы отвзаимодействия с окружающей средой. В этом случае «хранящим» носителемквантовой информации выступает тот или иной материальный объект.
Такая память, в которой записываются, хранятся и воспроизводятся световые импульсы,называется оптической. Предложению и исследованию протоколов оптическойквантовой памяти посвящена данная работа.1.1Оптическая квантовая память1.1.1КлассификацияПростейший способ хранить световые импульсы – это воспользоватьсяоптической линией задержки. Эта идея в приложении к квантовой памяти продемонстрирована в работах [16, 17]: фотон за счет срабатывания электрооптического переключателя направляется в «петлю хранения» (в указанных работах использовалась открытая линия задержки без использования оптического волокна)и «бегает» в ней до тех пор, пока электрооптический переключатель не «откроет» выход. Таким образом, время хранения фотона кратно времени обхода петли,которое в указанных экспериментах равнялось 13.3 нс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
