Диссертация (1149834), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Кроме того, далеко не последнюю рольздесь будет играть механизм, с помощью которого была произведена запись. Например, в [77]было показано, что для протоколов, основанных на явлениях электромагнитной индуцированной22прозрачности и рамановском рассеянии, информационная емкость будет расти пропорциональнокорню из оптической толщины, а для протоколов с неоднородным контролируемым уширением среды – самой оптической толщине. В [78] было найдено, что для протоколов быстрой иадиабатической квантовой памяти количество сохраняемых мод будет зависеть не только от оптической толщины, но еще и от времени взаимодействия поля с веществом в процессах записии считывания.1.3Протоколы квантовой памяти и их экспериментальныереализацииВне зависимости от конкретной реализации любой протокол квантовой памяти долженобеспечивать эффективное взаимодействие света с веществом, а также хранение в течение длительного времени, достаточного для выполнения различных приложений.К решению этих и других проблем существует два основных подхода.
Первый из нихпредполагает использование одного атома (частицы), плененного, например, с помощью дипольной ловушки и помещенного внутрь высокодобротного оптического резонатора [79]. Онпозволяет получить память с достаточно большим значением верности и временем хранения(в указанной работе ≈ 93%, а время хранения составило около 180 с), и, кроме того, егоинтересной особенностью является возможность непосредственной работы с определенным кубитом.Однако для обеспечения более длительного времени хранения, а также большей информационной емкости используют второй подход, в котором свет взаимодействует уже с ансамблемчастиц.
Запись квантового состояния при этом будет происходить не на отдельные частицы ансамбля, а на коллективное состояние всей среды, поэтому эффективность взаимодействия будетопределяться ее оптической плотностью.Заметим, что конкретные реализации ансамбля необязательно подразумевают некотороеатомное (или молекулярное) облако внутри магнито-оптической ловушки или оптической кюветы; например, это могут быть примесные центры внутри кристаллов или атомы, сидящие вузлах оптической решетки.Именно памяти на атомных ансамблях будет посвящена оставшаяся часть обзора.231.3.1Память на атомных ансамбляхИдеальный протокол квантовой памяти подразумевает, что квантово-статистическиесвойства света, поданного на вход ячейки памяти, в процессе хранения не претерпят каких-либоизменений.
Это означает, что если на вход памяти было подано чистое состояние, то преобразования, которые претерпевает это состояние в процессе хранения и при его воспроизведении наэтапе считывания, должны быть унитарными.При описании одномодовых протоколов квантовой памяти на атомных ансамблях оказывается удобным перейти к коллективным переменным, что при некоторых дополнительных приближениях позволяет описать полевую и атомную системы в терминах двух взаимодействующихквантовых гармонических осцилляторов. Гамильтониан такой системы хорошо известен [1] и вслучае идеального хранения принимает следующий вид:(︁)︁††ˆ = ~ ˆ ˆ + ˆ ˆ ,(1.3)где и – операторы уничтожения кванта возбуждения атомной среды и светового поля,соответственно, а ~ – энергия взаимодействия.
Первое слагаемое здесь обозначает процесс,при котором происходит уничтожение фотона из падающего светового потока и рождение кванта возбуждения внутри атомной среды; второе – процесс ему обратный. Отсюда следует, чтодля идеального протокола квантовой памяти нужно только вовремя "включать" и "выключать"такое взаимодействие. Так, если остановить запись через время /2, то осцилляторы успеютобменяться своими состояниями: атомная среда запишет начальное состояние светового поля, аполе считает начальное состояние атомной подсистемы. Повторное включение взаимодействияна тот же временной интервал приведет к процессу считывания.На практике получить такое взаимодействие между атомной и световой подсистемамив чистом виде оказывается невозможно, однако существуют квантово-механические явления,которые с некоторым приближением его повторяют.
Именно на таких явлениях и основано абсолютное большинство протоколов квантовой памяти. Их подробное описание было приведенов учебниках [80, 81] и литературных обзорах [1–3], поэтому мы остановимся только на их основных особенностях.241.3.2Электромагнитная индуцированная прозрачность и замедление светаШирокий интерес научного сообщества к созданию квантовой памяти возник благодаряэффекту электромагнитной индуцированной прозрачности (Electromagnetic Induced Transparencyили EIT), который также известен как эффект "замедления (или остановки) света".
Основныепринципы и применение этого явления в качестве когерентной памяти для света были подробноизложены в [7, 8].Прозрачность для импульса сигнального поля, действующего на одном из двух переходов в Λ-конфигурации энергетических уровней, достигается за счет управляющего поля включенного на другом переходе при одинаковых и небольших отстройках этих полей от верхнегоуровня. Такая прозрачность сопровождается сильным уменьшением групповой скорости сигнального импульса, что приводит к его пространственному сжатию. Если этого сжатия оказывается достаточно для того, чтобы импульс полностью оказался внутри среды, то управляющееполе в этот момент времени отключают и сигнал полностью рассеивается на атомах среды, создавая при этом когерентность между нижними уровнями Λ-схемы.
Можно сказать, что сигналоказывается как бы "замороженным". Кроме того, здесь важно отметить, что в начальный момент все частицы среды с помощью оптической накачки приготавливаются на том из нижнихуровней, на котором действует сигнальное поле. При считывании управляющее поле включаютвновь, что приводит к образованию поля на частоте сигнала, который несет в себе классическиеи квантовые свойства сигнального импульса, поданного на вход среды.
Заметим, что в отличиеот явления рамановского рассеяния, которое будет рассмотрено ниже, процесс реализуется не вдвухфотонном, а в двух последовательных однофотонных переходах.Первые экспериментальные наблюдения хранения света с помощью эффекта EIT былиполучены в [83,84]. В работе [83] удалось сохранить импульсы света длительностью 10−30 с вячейке с парами рубидия вплоть до 0.2 мс. В работе [84] в качестве памяти использовали облакоатомов натрия внутри магнито-оптической ловушки и максимальное время хранения составилоуже 0.9 мс.
Однако ни в одной из них не удалось достигнуть квантового режима, а проверка работоспособности памяти проводилась через измерение интенсивности света при записи исчитывании. Тем не менее, авторы доказали, что когерентное хранение света с помощью EIT впринципе возможно.Дальнейшие успехи при изучении работы этого протокола связаны с теоретическимиисследованиями в работах [16, 82, 85]. В них были проанализированы различные экспериментальные конфигурации и доказано, что в случае совпадения временных профилей управляю25щего и сигнального импульсов единственный параметр, которым определяется эффективностьхранения, будет оптическая толщина среды, и чем она выше, тем лучше хранение.
Это былоподтверждено в [86–88]. Было, однако, замечено, что при высокой оптической толщине будутпоявляться дополнительные квантовые шумы, связанные с явлением четырехволнового смешения, которые приведут к ухудшению свойств памяти.Возможности сохранения неклассических свойств света были также исследованы экспериментально.
В качестве примера можно привести работы [69, 70, 89], в которых была продемонстрирована возможность сохранения одиночных фотонов, а в [90–92] – сохранение сжатоговакуумного состояния света.Одним из недостатков памяти на эффекте EIT является то, что большая длительностьимпульса сигнального поля существенно ограничивает ширину его частотного спектра и какследствие пропускную способность квантового информационного канала, включающего в себятакую ячейку памяти. Это также приводит к большим потерям, связанным со спонтанным распадом возбужденного состояния частиц. Тем не менее, протокол считается перспективным и импродолжают активно заниматься.1.3.3Адиабатическая и быстрая квантовые памятиВ отличие от памяти на электромагнитной индуцированной прозрачности протоколыадиабатической и быстрой квантовой памяти, также реализуемые в Λ-конфигурации энергетических уровней частиц ансамбля, не требуют того, чтобы сохраняемый импульс света был большойдлительности – наоборот, это время выбирают существенно меньшим, тогда память будет формироваться за счет действия уже не стационарных, а динамически развивающихся во временифизических процессов.Протокол адиабатической квантовой памяти предполагает, что время взаимодействиясвета с ансамблем , с одной стороны, превышает значение ≫ ()−1 , где −1 – время жизнивозбужденного состояния, а – оптическая толщина, а с другой, оказывается гораздо меньшевремени установления в среде прозрачности (EIT).
Как и в случае памяти на основе эффектаEIT, это позволяет адиабатически исключить возбужденное состояние среды из рассмотрения,но при этом частично снимается ограничение на спектральную ширину информационного канала – иными словами, появляется спектральная многомодовость. При этом эффективность хранения уже будет определяться не одной только оптической толщиной , но также и временемвзаимодействия , которые оказываются связаны друг с другом нетривиальным образом [17],и выбор наилучших параметров предполагает некоторую процедуру оптимизации. Последнее26обстоятельство подчеркивает нестационарный характер физических процессов и их отличие отпамяти на основе эффекта EIT.Впервые протокол адиабатической памяти для пространственно одномодового случаябыл предложен в [16]. Его изучение для многомодового случая было продолжено в [17] и [78].Принципиально иная ситуация возникает в случае, когда длительность импульса сигнального поля очень короткая и лежит в интервале / ≪ ≪ −1 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
