Автореферат (1149833), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Были изучены возможности протокола быстрой резонансной квантовой памяти при сохранении импульсов с квантовыми сжатыми и перепутаннымисостояниями, полученным от реального источника излучения (субпуассоновского лазера с захватом фазы).4. Впервые для протокола быстрой резонансной квантовой памяти был рассмотрен эффект "размывания" собственных мод среды, вызванный продольным движением атомов на этапе хранения, и решена задача об оптимизации этого протокола, позволяющая найти временной профиль сигнального поля, который обеспечит наибольшую возможную эффективностьхранения.Научная и практическая значимость. Наиболее перспективным с точкизрения растущих с каждым днем потребностей квантовых оптики и информатики считается широкополосный многомодовый свет, поэтому для его передачи,6управления и хранения требуется квантовый информационный канал с большойпропускной способностью.
В связи с этим ячейка квантовой памяти, являющаяся частью такого канала, не должна ухудшать его спектральных характеристик,т.е. она должна обеспечивать надежное и эффективное хранение многомодовыхкоротких импульсов излучения с неклассическими квантовыми состояниями.Одной из важнейших областей, где могут быть использованы, полученные результаты, является передача сигналов на большие расстояния, которуюв классических телекоммуникационных сетях решают при помощи усилителей.Такой подход при передаче информации по квантовому каналу не подходит всилу принципа запрета клонирования [3, 4]. В работе [9] было показано, чтонезависимо от конструкции оптического усилителя, кроме усиленного входногополя, на выходе окажутся добавочные шумовые фотоны, порожденные усиленным спонтанным излучением активной среды, количество которых будет зависеть от величины усиления.
Именно наличие такого шума в итоге приведет кразрушению всей передаваемой информации, поэтому вместо усилителей предполагается использовать квантовые репитеры [10], важнейшим элементом которых является квантовая память, способная сохранять перепутанные и сжатыесостояния света.Стоит отметить, что эксперименты, связанные с замедлением и сохранением света на ячейках с теплыми атомными парами, привлекают исследователейпростотой манипулирования разогретыми атомами. В частности, существеннопроще создавать ансамбль с большим числом атомов, когда нет необходимостиего глубокого охлаждения, и контролировать концентрацию атомов в ансамбле,изменяя температуру ячейки. Кроме того, в отношении масштабируемости ансамбли атомов комнатной температуры оказываются существенно перспективнее холодных, требующих дополнительной охлаждающей аппаратуры.Отдельно выделим проблему создания квантового компьютера и квантовых вычислений [11], в которых одной из серьезнейших задач является решение проблемы декогеренции, т.е.
"увеличение времени жизни" чистых квантовых состояний, что представляется возможным осуществить только с помощьюквантовой памяти.Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается впервую очередь тем, что были построены корректные квантово-механическиемодели и все сделанные предположения и приближения имеют строгое физическое обоснование. Кроме того, для решения поставленных задач был использован широко известный и хорошо зарекомендовавший себя математический аппарат квантовой электродинамики.
Найденные результаты были проанализированы в сравнении с результатами других исследователей и обсуждались в рамках7научных семинаров, школ и конференций с коллегами, а также опубликованы вревьюируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.Апробация работы.∙ Весенняя школа Российского Квантового Центра (Москва, Россия, 2013,2014);∙ Летняя школа Российского Квантового Центра (Москва, Россия, 2013);∙ 13th International Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations(Nuremberg, Germany, 2013);∙ the Les Houches School of Physics, session CI “Quantum optics andnanophotonics”(Les Houches, France, 2013);∙ VIII Международная конференция молодых ученых и специалистов«Оптика-2013» (Санкт-Петербург, России, 2013);∙ RQC 14 International Conference on Problems of Strongly Correlated andInteracting Systems (St. Petersburg, Russia, 2014);∙ Quantum Science: Implementations (Benasque, Spain, 2014);∙ IX семинар имени Д.Н.
Клышко (Москва, Россия, 2015);∙ IX Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика2015» (Санкт-Петербург, России, 2015);∙ городской межинститутский семинар по квантовой оптике при РГПУ им.А.И. Герцена и семинар кафедры Общей Физики I по квантовой оптике приСПбГУ.Личный вклад. Основные результаты, представленные в диссертации,получены автором лично; выбор общего направления исследования, обсуждение и постановка рассматриваемых задач осуществлялись совместно с научнымруководителем.Публикации. Основное содержание и результаты по теме диссертациипредставлены в следующих публикациях:∙ K.
Tikhonov, K. Samburskaya, T. Golubeva, and Yu. Golubev. Storage andretrieval of squeezing in multimode resonant quantum memories. // PhysicalReview A, 2014, 89, 013811.8∙ К. Тихонов, Т.Ю. Голубева, Ю.М. Голубев. Перепутанные состояния сигнальных импульсов в многомодовой квантовой памяти.
// Оптика и спектроскопия, 2015, том 118, № 5, с 87-94.∙ K. Tikhonov, T. Golubeva, and Yu. Golubev. Atomic thermal motion effect onefficiency of a high-speed quantum memory. // accepted by European PhysicalJournal D.Все публикации изданы в журналах, рекомендованных ВАК.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 имеющейся научной литературы, в котором показано современное состояние обсуждаемой области науки, говоритсяо роли квантовой памяти при передаче квантовой информации на большие расстояния и в квантовых вычислениях, определены критерии работы протоколаквантовой памяти такие, как верность, эффективность, время хранения и масштабируемость.
Основной акцент сделан на рассмотрении моделей квантовойпамяти на атомных ансамблях и физических явлениях, на которых они основаны: электромагнитной индуцированной прозрачности, фотонном эхе, рамановском рассеянии, квантовом неразрушающем взаимодействии. Отдельно выделены протоколы адиабатической и резонансной быстрой квантовой памяти. Последняя предназначена для работы с широкополосными импульсами и именноисследованию возможностей, заложенных в этой модели, посвящены остальныеглавы диссертации.Во второй главе построена теоретическая модель резонансной быстройквантовой памяти.Исследуемый протокол основан на резонансном взаимодействии одно^ и управляющего классивременных импульсов сигнального квантового поля ческого поля , c ансамблем атомов, имеющих Λ-конфигурацию энергетических уровней.
Атомы равномерно расположены внутри плоского бесконечногослоя длиной , перпендикулярного оси . Нижние энергетические уровни | 1⟩и | 2⟩ выбираются долгоживущими, и спонтанным распадом этих уровней напротяжении всего цикла памяти, включающего в себя этапы записи, хранения и9считывания, мы пренебрегаем. В начальный момент времени все атомы ансамбля приготовлены с помощью оптической накачки на уровне | 1⟩.Рисунок 1: Полный цикл быстрой квантовой памяти: a) запись, b) хранение, c) считывание,d) энергетические уровни атомной системы с действующими сигнальным ^ иуправляющим полями.На рис. 1 изображена схема полного цикла памяти, представляющегособой три последовательных этапа: запись при 0 ≤ ≤ , хранение при < < ( + ) и считывание при ( + ) ≤ ≤ ( + + ), таким образом, , и – это длительности каждого из этапов, соответственно.
При этоммы считаем, что для протокола быстрой квантовой памяти , ≪ −1 ≪ ,где −1 – время спонтанного распада с уровня | 3⟩ на уровень | 1⟩. Спонтанный распад с уровня | 3⟩ на уровень | 2⟩ мы не рассматриваем, считая что онпроисходит на временах значительно превышающих −1 . На рис. 1b отраженфакт продольного движения атомов на этапе хранения, которое будет детальнорассмотрено в главе 5.На этапе записи слабое сигнальное поле переводит часть атомов ансамбля с уровня | 1⟩ на верхний уровень | 3⟩, и в это же время сильное опорное поле,включенное одновременно с сигнальным, переносит эти атомы с уровня | 3⟩ науровень | 2⟩. В результате в процессе записи образуется когерентность междууровнями | 1⟩ и | 2⟩, на которую отпечатываются квантово-статистические свойства сигнального поля.Этап хранения в идеале предполагает, что когерентность между уровнями | 1⟩ и | 2⟩ остается неизменной.
Однако, в главе 5 мы учли ее "размывание" ,вызванное тепловым продольным движением атомов. Атомы, которые после этапа записи остались на уровне | 3⟩, в результате спонтанного распада во времяэтапа хранения переходят на уровень | 1⟩.При считывании на противоположный вход ячейки (случай обратногосчитывания) подается импульс сильного управляющего поля, в процессе взаимо10действия с которым атомы с уровня | 2⟩ переходят на уровень | 1⟩ через верхнийуровень | 3⟩. Вследствие этого происходит излучение фотонов в сигнальную моду, так что выходное поле несет на себе свойства входного сигнала, а в идеале –полностью воспроизводит его квантовое состояние.Чтобы одновременно охватить случаи подвижных и неподвижных атомов, при построении физической модели мы перешли к рассмотрению независимых подансамблей, каждый из которых движется как целое равномерно и прямолинейно с некоторой определенной продольной скоростью .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
