Диссертация (1149654), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Применение интерферометра Саньяка позволяет сохранять суперпозиционные состояния поляризациифотона, [17].Однако наибольший прогресс достигнут в реализации квантовой памяти,в которой для хранения световых полей используется вещество. Предложеныи продемонстрированы схемы памяти на спиновой подсистеме атомных ансамблей, на неоднородно уширенных электронных переходах примесных кристаллов, на одиночных частицах (см. обзоры [18–21]).Ансамбли, состоящие из N атомов, за счет коллективных эффектов увели√чивают взаимодействие между светом и веществом в раз по сравнению с одноатомным случаем. Первые протоколы квантовой памяти, основанные на атомных ансамблях, были предложены в начале 2000-х годов.
Одним из первых был13предложен протокол, основанный на эффекте электромагнитно-индуцированнойпрозрачности, [22]: световой импульс, резонансный окну прозрачности, входитв среду при включенном опорном поле и замедляется. Замедление вызываетпространственное сжатие импульса таким образом, что он целиком помещаетсявнутри среды. Как только импульс «загоняется» в среду, адиабатически уменьшается интенсивность опорного поля, и групповая скорость импульса света сводится к нулю.
Окно электромагнитно-индуцированной прозрачности «коллапсирует» и импульс света хранится в среде. Когда требуется восстановить исходныйимпульс, вновь включается опорное поле – импульс света продолжает свое распространение и покидает среду. Первые эксперименты [23, 24] по квантовой памяти на электромагнитно-индуцированной прозрачности осуществлены в 2001году.Квантовая память, использующая эффект фотонного эха, была предложена в [25, 26]: однофотонный импульс света поглощается на неоднородно уширенном переходе, через некоторое время знак неоднородного уширения обращается и через общее время 2 восстанавливается коллективная атомная когерентность – фаза всех атомов снова становится равной.
Это вызывает переизлучение поглощенного сигнала. В квантовой памяти на неоднородно уширенномпереходе для считывания «по требованию» предлагается переносить коллективное возбуждение с верхнего уровня на основной спиновый уровень коротким-импульсом. В этом случае информация о входном импульсе хранится в коллективной спиновой когерентности нижних подуровней.В [27] предложен протокол памяти на атомной частотной гребенке, в котором коллективная когерентность восстанавливается автоматически. Для этогодо процесса записи из неоднородно уширенного перехода формируется структура из узких равноотстоящих друг от друга спектральных пиков так, чтобыспектральная ширина записываемого однофотонного импульса была больше расстояния между пиками (но меньше общей ширины уровня).
В силу спектральной неопределенности уровня на временах записи оказывается, что такая структура может полностью поглощать входные импульсы, имеющие непрерывныйспектр. Указанный характер спектрального контура среды приводит к тому, чтофаза всех атомов становится равной через время 2/∆, где ∆ – расстояние между спектральными пиками среды.
Квантовая память на атомной частотной решетке экспериментально была впервые продемонстрирована в [28]. Периодиче14ская спектральная структура создавалась на оптическом переходе ионов неодима( 3+ ) в кристалле 4 .Рамановский тип квантовой памяти, основанный на взаимодействииатомного ансамбля c Λ-схемой атомных уровней с нерезонансными сигнальными опорным полями, был предложен в [29]. При величине отстройки много большей всех других частотных параметров – ширины верхнего уровня, частотыРаби сильного поля и спектральной ширины сигнального поля – верхний уровень исключается из процесса и атомы рассматриваются в эффективном двухуровневом приближении – квантованный свет взаимодействует с суперпозициейнижних подуровней.
Переход от модели Λ-схемы атомных уровней к реальнойструктуре уровней щелочных металлов был осуществлен в [30]. Первая демонстрация рамановской квантовой памяти (с использованием квантового неразрушающего взаимодействия) была осуществлена в [31]: свет записывался на суперпозицию магнитных подуровней облака атомов цезия в ячейке памяти. Былапродемонстрирована работа памяти на квантовом уровне: достигнута верностьвоспроизведения, равная 70 %.Обобщение, выполненное в [32], показывает, что максимально достижимая эффективность квантовой памяти (как рамановской, так и на эффекте электромагнитно индуцированной прозрачности) в свободном пространстве определяется как 1 − 1/, где – оптическая толщина среды.
При этом длительностьвходной гладкой моды должна быть много больше 1/(), где есть скоростьраспада верхнего уровня.В работе [33] предложена модель квантовой памяти, основанная на рамановском взаимодействии с использованием пространственных степеней свободыансамбля атомов при боковом освещении опорным полем. За счет непрерывногоизменения направления распространения опорного поля во время записи (и всилу условия фазового синхронизма) в каждый момент времени с сигнальнымполем взаимодействует одна из множества продольных спиновых мод атомного ансамбля.
В результате временной профиль сигнала отображается на пространственную решетку спиновой когерентности. Аналогично, на этапе чтенияпространственная модуляция спиновой когерентности отображается обратно навременной профиль сигнального поля.151.1.2Резонаторная квантовая памятьОптический резонатор эффективно увеличивает оптическую длину среды в процессе обмена состояниями [34, 35]. Экспериментально было продемонстрировано [36] двадцатикратное увеличение эффективности записи для образца(примеси в кристалле) в резонаторе по сравнению с тем же образцом в свободном пространстве. Эти результаты позволяют снизить требования к среде дляквантовой памяти и использовать оптически тонкие среды.
Кроме того, за счетперестройки резонатора [37] можно управлять связью вещества с полем в резонаторе.С другой стороны, наличие резонатора вносит дополнительные потери,связанные с отражением сигнала от зеркала связи. Решение этой проблемы вподходе c согласованием импеданса было предложено в работах [38, 39]: деструктивная интерференция полей, подавляющая отраженный сигнал, достигается за счет согласования временных форм сигнального и опорного полей.Работа этого протокола была продемонстрирована, к примеру, в экспериментах [40] (облако холодных атомов рубидия в оптическом резонаторе) и [36]( 3+ : 2 5 в микрорезонаторе).При описании схем памяти, использующих оптический резонатор, частоприменяется предположение о быстром затухании внутрирезонаторного поля(приближение низкодобротного резонатора).
В [34, 35] и других работах найдено, что при этом эффективность как записи, так и считывания ограничена˜˜ скорости распада электронной когеуниверсальным соотношением /(1+ )рентности в излучающую моду резонатора к полной скорости, в которой учтенавероятность спонтанного излучения с верхнего электронного уровня. Используемый в указанных работах параметр кооперативности, обозначенный выше˜ можно увеличивать, повышая добротность резонатора и увеличивая врекак ,мя жизни поля.
При этом для входных сигналов, длительность которых можетоказаться сравнимой со временем жизни поля в резонаторе, основное ограничение эффективности может быть связанным с отражением от резонатора, а не соспонтанным излучением. Без приближения быстрого распада поля схема одномодовой памяти рассматривалась в [41] для ступенчатого включения параметрасвязи внутрирезонаторного поля и когерентности вещества.Отметим, что экспериментально были продемонстрированы высокие эффективности хранения в резонаторной квантовой памяти. К примеру, подход с16согласованием импеданса для протокола на атомной частотной гребенке, осуществленный в [42], позволил добиться эффективности равной 0.561.1.3Многомодовая квантовая памятьОдним из возможных путей повышения емкости памяти является записьи чтение световых сигналов со многими квантовыми степенями свободы, тоесть многомодовых.
Из обсуждавшихся в литературе способов реализации многомодовой памяти (во временной [27,43], спектральной [44] и пространственнойобластях) в данной работе мы рассматриваем память для оптических изображений – пространственно многомодовых световых сигналов, которые могут бытьв неклассическом состоянии.Квантовая память для изображений – квантовая голограмма – была предложена в [45]: запись производится на основе квантового неразрушающего взаимодействия, при этом требуется два прохода квантового изображения черезсреду – каждый проход обеспечивает запись одной квадратуры света.
Максимальная верность процесса записи-считывания достигается при сжатом состоянии коллективного спина до этапа записи и при сжатом состояния света присчитывании. Число пространственных мод ограничено числом Френеля. Развитие этого протокола было предложено в [46], где вместо двух проходов сигнала,несущего квантовое изображение, предлагается после первого прохода измерятьполяризационные параметры прошедшей световой волны и осуществлять управляющую обратную связь на атомы. Управляющая обратная связь реализуетсячерез неразрушающее взаимодействие с управляющей световой волной, промодулированной сигналом обратной связи. Для достижения единичной верностипроцесса также требуется сжимать квадратуры пространственных мод коллективного спина.Комбинационное (рамановское) рассеяние лежит в основе квантовой объемной голограммы – схемы, предложенной и проанализированной в работах[47, 48] и обобщающей идею объемной голограммы на случай записи квантовых изображений.
Встречная геометрия сигнального и опорного полей создаетв среде (ансамбль спин-поляризованных атомов) фазовую решетку, на которойпроисходит рассеяние опорного поля на этапе считывания. Такая схема памятине требует сжатых состояний спиновых и световых полей и имеет более высокую емкость – число хранимых мод определяется как min{2 /2 , 2 }, где17 ≪ 1 – малый параметр параксиального приближения, – площадь поперечного сечения ансамбля атомов, – длина волны сигнального света, = / –число Френеля атомного образца и – его длина.Память для квантовых изображений была предложена также в вариантахрезонансного быстрого (запись широкополосных сигналов) [49] и адиабатического [50] режимов записи в лямбда–схеме атомных уровней без неоднородногоуширения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
