Диссертация (1149834), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Это приводит к тому,что релаксационными явлениями при описании считывания и записи можно пренебречь, но вотличие от адиабатической памяти и памяти на основе эффекта EIT верхний уровень будет динамически заселяться, что может служить источником потерь. Такое ограничение на время взаимодействия отвечает режиму быстрой квантовой памяти. Мы не будем здесь останавливаться нарассмотрении особенностей этого протокола, так как его исследованию посвящены остальныеглавы настоящей диссертации.1.3.4Рамановское взаимодействиеЕще одним подходом к сохранению света является использование явления комбинаци-онного рассеяния или эффекта Рамана [11, 93, 94].При поверхностном рассмотрении такая модель напоминает протокол памяти на эффекте EIT за исключением того, что и сигнальное, и управляющее поля оказываются существенноотстроенными от соответствующих им частот атомных переходов. При этом величина отстройки ∆ для сигнального и управляющего полей выбирается одинаковой и значительно превышающей произведение спектральной ширины верхнего уровня на оптическую толщину , т.е.∆ ≫ [85].
Однако качественно это приводит к совершенно иному механизму хранения. В отличие от памяти на эффекте EIT большая отстройка препятствует реальному заселению верхнегоуровня Λ−конфигурации; вместо этого происходит двухквантовый (или двухфотонный) процесс,в котором фотон сигнального импульса переводит атом с нижнего уровня в канале сигнальногополя на виртуальный уровень, после чего атом "подхватывается" этим полем и переходит нанижний уровень, но уже в канале управляющего поля. Кроме того, несмотря на нерезонансныйхарактер взаимодействия, вероятность двухквантового процесса может быть сделана большой засчёт увеличения интенсивности управляющего поля [94].В [12] численный расчёт показал, что эффективность хранения для рамановского протокола может быть в принципе сделана выше 90% при считывании в направлении, определяемомусловием фазового синхронизма. Кроме того, в этой работе, а также в работах [9, 95] была27исследована возможность увеличения информационной емкости рамановской памяти за счёт поперечных пространственных мод.В одном из первых экспериментов [13] был сохранен импульс длительностью порядка300 пс в ячейке с парами атомов цезия.
При этом только эффективность записи оказалась равной 30%, а эффективность считывания – 50%. Таким образом, эффективность полного циклапамяти, включающего в себя оба этих процесса составила всего лишь 15 %. В последующихэкспериментах эту эффективность удалось повысить выше квантового предела [2].1.3.5Квантовое неразрушающее взаимодействиеВпервые протокол квантовой памяти на квантовом неразрушающем взаимодействии(quantum nondemolition measurement или QND) был предложен в [10] и затем тщательно разработан в [96].Квантовое неразрушающее взаимодействие можно свести к двум основным эффектам:фарадеевскому вращению поляризации света, вызванному компонентной коллективного спинасреды вдоль направления распространения сигнального и опорного полей, а также поворотомколлективного спина, обусловленным неравными световыми сдвигами магнитных подуровней = ±1/2 основного состояния при различающихся интенсивностях вкладов ортогональныхкруговых поляризаций в полную световую волну.
Такое взаимосвязанное вращение поляризациисвета и коллективного спина позволяет переносить квантовое состояние одной подсистемы надругую и обратно, что позволяет использовать его для создания квантовой памяти.Как правило QND-память рассматривают в четырехуровневой схеме энергетическихуровней, каналы которой можно использовать не только для сохранения квантовых состоянийсвета, но также и для их генерации [97].Исторически протокол квантовой памяти [98], основанный на квантовом неразрушающем взаимодействии, стал первым протоколом, в котором удалось превысить классическийпорог [99] и сохранить квантовые свойства записанного импульса света.1.3.6Фотонное эхоХорошо известно, что фотонное эхо [100] позволяет получить когерентное излучениесреды в виде короткого импульса, обусловленного восстановлением фазового согласования отдельных излучателей после воздействия на среду последовательности двух или более короткихимпульсов резонансного излучения.
При этом, как было показано в [14], с помощью этого явле-28ния можно записывать и воспроизводить временную форму световых импульсов, то есть хранитьклассическую оптическую информацию.Этот же эффект в несколько модифицированном виде был предложен для хранения квантовой информации в газах [15, 101], а затем распространен на различные атомные системы втвердом теле, что открыло новые возможности для квантовой памяти световых полей.В качестве характерного примера обсудим протокол памяти, предложенный в [15]. Каки в рассмотренных ранее моделях, взаимодействие света со средой происходит в Λ−схеме энергетических состояний: основной уровень |1⟩ связан c возбужденным уровнем |3⟩ с помощьюрезонансного сигнального поля, а уровень |3⟩ с метастабильным уровнем |2⟩ – посредством-импульса управляющего поля.
В начальный момент все частицы ансамбля приготовлены науровне |1⟩ и из-за различия их скоростей переход |1⟩ − |3⟩ оказывается неоднородно уширенным, однако в отличие, например, от EIT памяти неоднородное уширение больше не оказываетотрицательного эффекта. При записи сигнальное и управляющее поля распространяются в одном направлении, а при считывании импульс управляющего поля (также площадью ) проходитсреду уже в обратном направлении.Такая геометрия протокола и выбор энергии управляющего поля при записи и считывании обусловлена несколькими причинами.
Во-первых, если оптическая толщина ансамбля достаточно велика (что, вообще говоря, необходимо для наилучшего взаимодействия света со средой), то поглощение света будет происходить главным образом на входе в среду, поэтому приобратном считывании не будет происходить перезаписи внутри ячейки – сигнальный импульспрактически сразу выйдет из среды. Во-вторых, произойдет обращение по знаку фазы когерентности, в результате чего расфазировка, вызванная неоднородным уширением среды, исчезнет ибудет восстановлено фазовое согласование между отдельными диполями – произойдёт излучение сигнального импульса.Все протоколы квантовой памяти, основанные на явлении фотонного эха, используютэту или аналогичную процедуру рефазировки, позволяющую восстановить когерентность среды,образовавшуюся к моменту окончания записи, и воспроизвести записанную квантовую информацию.
Различие же между ними проявляется в выборе начального распределения частотныхотстроек отдельных атомов. Если это распределение оказывается непрерывным, то говорят опамяти с контролируемой инверсией неоднородно уширенной резонансной линии (известногов англоязычной литературе как CRIB – controlled reversibility of inhomogeneous broadening), ав случае дискретного распределения – о памяти на основе периодической частотной гребенки (или AFC – atomic frequency comb). Второй случай представляется более интересным, таккак потенциально способен предоставить большую информационную емкость для различных29приложений.
Например, в [102] было показано, что такая память способна сохранять до 100временных мод с эффективностью выше 90%.1.4Квантовая память на тепловых атомных ансамбляхПри теоретическом изучении рассмотренных нами протоколов квантовой памяти, кромемодели, основанной на явлении фотонного эха, обычно считают, что взаимодействие сигнального и управляющего полей происходит с ансамблем неподвижных атомов. Такое приближениепозволяет существенно упростить их описание, и в некоторых случаях даже свести гамильтониан взаимодействия к (1.3), т.е.
фактически говорить о преобразовании временного хода сигнального импульса в пространственную зависимость коллективной когерентности на этапе записи иих обратном преобразовании на этапе считывания. При этом в течение этапа хранения распределение коллективной когерентности рассматривают неизменным.Такое предположение оказывается справедливым, если обсуждается реализация протокола квантовой памяти на примесных центрах в кристаллах, когда движение атомов ограниченоузлами кристаллической решетки и возникающие при этом флуктуации относительно среднегоположения оказываются несущественными. Кроме того, оно хорошо оправдано, если полныйцикл памяти от начала записи до момента окончания считывания сигнала (включая время хранения) занимает непродолжительное время, а средняя скорость движения атомов в ансамбленевелика [103]. Однако, поскольку целью квантовой памяти является длительное хранение информации, для адекватной оценки потенциальных возможностей такого хранения необходимоучитывать возможность "размывания" сформированных мод когерентности.Эксперименты, связанные с замедлением и сохранением света на ячейках с теплымиатомными парами [103–106], привлекают исследователей простотой манипулирования разогретыми атомами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
