Диссертация (1149654), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Одновременно высокие показатели эффективности (0.73) и времени хранения (3.2 мс) были продемонстрированы [66] врезонаторной квантовой памяти на ансамбле атомов рубидия.Для синхронизации узлов квантовых протоколов необходимо иметь возможность считывать «по требованию», то есть в любой момент времени впроцессе хранения.
Большинство протоколов квантовой памяти позволяет осуществить такое считывание: в протоколах на электромагнитно индуцированнойпрозрачности, на рамановском рассеянии, на квантовом неразрушающем взаимодействии передний фронт считываемого сигнала совпадает (во временнойобласти) с передним фронтом считывающего опорного поля. В протоколах наразличных вариантах эха или в циклической квантовой памяти надо учитывать,что считываемый сигнал появляется через некоторое (короткое) время – времянеобходимое на рефазировку излучателей или время необходимое на обход петли хранения.Естественным развитием квантово-информационных протоколов является увеличение их емкости и скорости работы за счет применения многомодовыхустройств, в том числе, многомодовой памяти. Так, в протоколе квантового повторителя время, затрачиваемое на установление перепутанности между двумяудаленными узлами, ограничено временем, которое фотоны проходят до станцииизмерения и временем, которое необходимо, чтобы передать результат измерения к каждому узлу.
Если в каждой такой попытке участвует только один фотон(одна мода поля), то после каждого неудачного измерения Белла необходимо пе22ревести ячейки памяти в начальное состояние и повторить попытку. Использование ячеек многомодовой памяти в совокупности с многомодовым источникомфотонов позволяет за один акт измерения обрабатывать набор из N мод, что в Nраз повышает вероятность положительного исхода и, соответственно, уменьшаетвремя установления перепутанности в такое же количество раз.
Многомодовостьможет быть временной, пространственной или частотной. Наиболее перспективно выглядят протоколы, использующие комбинированную многомодовость.Важной характеристикой многомодовой квантовой памяти является адресуемость – считывание той моды, которая, к примеру, показала положительныйрезультат при измерении на удаленной станции в протоколе квантового повторителя.С точки зрения перспективы «массового» использования квантовой памяти важными являются также рабочая длина волны памяти (в протоколах квантовой коммуникации она должна попадать в окно прозрачности оптического волокна – в районе 1550 нм), а также ее габариты (выигрышно выглядит памятьна твердом теле), помехоустойчивость и простота использования (работа прикомнатных температурах).Подчеркнем, что несмотря на то, что во многих экспериментах значения указанных параметров ниже «квантового» предела, теоретически эти значения могут быть значительно улучшены.
Именно принципиальной способностьювыйти на квантовый уровень (а не продемонстрированными характеристиками)обусловлена правомерность употребления термина «квантовая память».1.3Применение оптической квантовой памятиТеоретическое и экспериментальное развитие идеи квантовой памяти связано, в первую очередь, с ее применением в протоколах квантовых повторителейи линейных оптических вычислений. Эти протоколы и роль памяти в них будутрассмотрены ниже. Помимо этого, атомные ансамбли являются отличными кандидатами для высокоточных измерений [67], в частности в магнитометрии [68],и преодоления стандартного квантового предела. Предложены протоколы высокоэффективных малошумящих однофотонных детекторов [69, 70], основанныхна квантовой памяти с использованием ансамбля атомов, преобразующих однофотонное возбуждение в легко детектируемую люминесценцию.
Кроме того,23этот метод позволяет различать число входных возбуждений, так как люминесценция возрастает с ростом числа детектируемых фотонов. Анализ, проведенный в [71], показал, что кристалл, допированный 1500 ионами, и резонатор сдобротностью 3000 позволят создать малошумящий детектор с эффективностьюболее 90%. С другой стороны, такой детектор обладает малой частотой детектирования (порядка 3 кГц), что вызвано необходимостью накапливать люминесценцию и охлаждать кристалл. Но даже такой детектор может найти применениев передаче информации на большие расстояния.1.3.1Квантовый повторительПервый протокол квантового повторителя, основанный на атомном ансамбле, – DLCZ-протокол (Duan, Lukin, Cirac, Zoller) – был предложен в [72].Создание перепутанных состояний между двумя удаленными узлами происходитв несколько этапов. Расстояние между узлами, которые необходимо перевести вперепутанное состояние, разбивается на несколько отрезков.
На концах каждо-б)а)Рисунок 1.1: Схемы квантовых повторителей: а) перепутанные пары фотонов(1 − 1′ и 2 − 2′ ) создаются вне ячеек (1 и 2 ) памяти, один фотон из каждойпары (фотоны 1 и 2) записывается в соответствующую ячейку памяти, вторыефотоны (1′ и 2′ ) посылаются на схему измерения Белла, б) перепутанная параобъектов – фотон и возбуждение в среде – создаются внутри каждой ячейкипамяти, исключая процесс записи. Здесь d и t – пространственная и временнаяоси.го отрезка находится ячейка квантовой памяти, рис. 1.1. Перед каждой из них24создается пара перепутанных фотонов (или создается внутри памяти перепутанные фотон и возбуждение коллективного спина ансамбля атомов) – один из этихобъектов хранится в памяти, другой посылается на схему измерения Белла.
Вслучае положительного результата измерения, ячейки памяти на концах отрезкаоказываются в перепутанном состоянии. Далее возбуждение, хранящееся в ячейках памяти на концах соседних отрезков, считывается и для них также производится измерение Белла. В случае положительного результата, ячейки памяти,находящиеся на удаленных концах соседних отрезков, оказываются в перепутанном состоянии. Эта процедура повторяется до тех пор, пока перепутаннымине оказываются самые крайние ячейки памяти.Ускорение протокола квантового повторителя предлагается осуществить спомощью многомодовой во временной области схемы [73]: в каждом узле повторителя находится одна ячейка многомодовой квантовой памяти и один источникпар фотонов.
Источники одновременно возбуждаются когерентным образом так,что каждый из них имеет маленькую вероятность излучить пару фотонов. Детектирование одного фотона на промежуточной станции сигнализирует о храненииодного «общего» фотона в двух ячейках памяти – состояние соответствующихузлов повторителя оказывается перепутанным. Перепутанность может быть «переброшена» на большие расстояния аналогично тому, как это делается в DLCZпротоколе. Использование многомодовой памяти позволяет не переводить ансамбль атомов в начальное вакуумное состояние после каждой попытки. Вместо этого генерируется, записывается и посылается на промежуточную станциюпоследовательность импульсов, что существенно повышает скорость созданияперепутывания. При этом память должна быть адресуемой, то есть способнойвосстанавливать моды, сопряженные с теми, которые дали положительный результат на схеме совпадения.
Подходящим кандидатом для такой квантовой памяти является память на различных вариантах фотонного эха.Другой вариант ускорения работы повторителя – использование пространственно многомодовой памяти. На рис. 1.2 представлен протокол квантового повторителя, в узлах которого располагаются ячейки квантовой памяти, кпримеру, обсуждающиеся в данной диссертационной работе. В этом случае насхему измерения одновременно посылается набор поперечных пространственных мод, каждая из которых перепутана с сопряженной пространственной модойспиновой когерентности.
Также предлагаемая модель памяти за счет использова25Рисунок 1.2: Схема квантового повторителя, узлами которого являются ячейкипараллельной квантовой памяти. Обозначения те же, что и на рис. 1.1.ния ортогональных продольных спиновых волн способна объединить в себе какпространственную, так и временную многомодовость. Адресуемое чтение позволяет восстановить требуемые моды – имеется возможность считать как требуемую временную моду, несущую оптическое изображение, так и направитьтребуемую пространственную моду в качественный выходной канал (в нашемслучае, вдоль оси резонатора).
Возможность хранения последовательности импульсов, каждый из которых несет оптическое изображение, в парах щелочныхметаллов было экспериментально продемонстрировано в [54].1.3.2Линейные оптические вычисленияЛинейные оптические вычисления основаны на вероятностных квантовых гейтах с использованием линейной оптики и однофотонных источников[74, 75]. Для того, чтобы сделать такие схемы масштабируемыми, необходимоиспользовать квантовые памяти для синхронизации вероятностных и независимых событий таких, как создание пар фотонов.Необходимым элементом однопроходных квантовых вычислений, или основанных на измерении квантовых вычислений, [14, 76], является квантовая память, служащая для синхронизации оптических кубитов.
В работе [77] предложена схема полностью масштабируемого основанного на измерении квантовоговычисления с использованием атомных ансамблей. Каждой вершине графа кластерного состояния соответствует ансамбль пятиуровневых (М-типа) атомов илидва независимых ансамбля трехуровневых (Λ-типа) атомов. С помощью допол26нительных ансамблей и идей, лежащих в основе DLCZ-схемы квантового повторителя (одновременная генерация фотонов и спиновых возбуждений в ансамбле, а также оптическая схема детектирования), к любой паре ансамблей можноприменить контролируемую Z операцию и, таким образом, создать кластерныесостояния. Предполагается, что в дальнейшей схеме вычислений однокубитовыеизмерения будут производиться не над спиновыми состояниями ансамблей (чтопроблематично), а над фотонами, которые предварительно будут считываться изперепутанных ансамблей и с помощью схем переключений будут посылаться нату или иную схему измерения (в зависимости от результата предыдущих измерений).
В работе приводятся вычисления, показывающие, что для реализациимасштабируемости необходимо достичь суммарной эффективности излучения идетектирования антистоксовского фотона ≥ 0.86.Другое применение квантовой памяти в области квантовых вычислений– создание детерминированных источников света с заданным числом фотоном.Наиболее «востребованы» источники одиночных фотонов. Работа протоколовдетерминированных однофотонных источников света основана, как правило, наэффекте спонтанного параметрического рассеяния в нелинейных кристаллах.При этом один из фотонов посылается на детектор, щелчок которого извещаето наличии второго фотона в сопряженном канале.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
