Автореферат (1150445)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиМанухова Алиса ДмитриевнаХранение и манипулирование квантовым излучением частотногокомбаСпециальность 01.04.05 – оптикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург – 2017Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцентГолубева Татьяна ЮрьевнаФГАОУ ВО Санкт-Петербургскийгосударственный университет, профессорОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,член-корреспондент РАНРозанов Николай НиколаевичАО "ГОИ им. С.И. Вавилова" ,начальник отделадоктор физико-математических наук, доцентКулик Сергей ПавловичФГБОУ ВО Московский государственный университетимени М.В.Ломоносова, профессор, заведующийлабораторией квантовых оптических технологийВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиКазанский физико-технический институт им.
Е.К.ЗавойскогоКазанского научного центра Российской академии наукЗащита состоится «»г. вна заседании диссертационного советаД 212.232.45 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургскомгосударственном университете по адресу:198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул 1, малый конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Горького СПбГУ по адресу:199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.Диссертация и автореферат размещены на сайте www.spbu.ruАвтореферат разослан «»г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.232.45доктор физ.-мат. наук, доцентСухомлинов В.С.2Общая характеристика работыЗа последние двадцать лет бурное развитие и экспериментальные успехи квантовой оптики привели к формированию новых фундаментальных направлений, таких как теорияквантовых коммуникаций и теория квантовых вычислений [1, 2]. Представленное диссертационное исследование относится к обоим указанным направлениям и затрагивает каквопросы передачи информации, так и вычислительные аспекты квантовой теории.В первой части работы мы рассматриваем проблематику хранения квантового сигнала,что является ключевым элементом построения квантового информационного канала, работающего на больших расстояниях.
Следует отметить, что в квантовой информатике носителем информации выступает не сам физический объект, а его квантовое состояние. Этоявляется важным отличием квантовой информатики от классической, поскольку любоеединичное измерение разрушает квантовую информацию, а «скопировать» ее не представляется возможным в силу принципа запрета клонирования. Таким образом, привычныедля классической информатики схемы хранения, включающие непосредственное измерение уже на этапе записи, оказываются непригодными. Для хранения квантовой информации необходим специальный инструмент – квантовая память – своего рода «ловушка»,которая позволяет отпечатывать интересующее квантовое состояние на другой долгоживущий квантовый объект, а затем воспроизводить его без потерь квантово-статистическихособенностей [3, 4].
Такой механизм памяти является важной частью многих информационных протоколов и основой квантовых повторителей [5].Особенностью данной работы будет разработка ячейки памяти для сигнала со сложной временной структурой. В отличие от предыдущих исследований мы будем интересоваться хранением не одиночного импульса [6], а последовательности скоррелированныхфемтосекундных импульсов [7–9].
Такое расширение протокола оказывается важным дляпараллельной многоканальной передачи информации, а также для манипулирования статистикой сигнала внутри ячейки памяти.Вторая часть работы базируется на результатах первой части и связана с проблематикой квантовых вычислений.
Мы исследуем возможность построения на основе ячеек памяти многомодового кластерного состояния света, которое в настоящий момент рассматривается как необходимый элемент, своего рода «матрица», для проведения однонаправленныхвычислений [10, 11]. Метод однонаправленных вычислений принципиально отличается от«традиционного» квантового компьютера тем, что в ходе вычислений выполняются локальные измерения и кластерное состояние последовательно разрушается [12]. Однако естьнадежда, что такая техника позволит не только обеспечить ту же скорость вычислений,что и квантовый компьютер на унитарных преобразованиях, но и преодолеть главнуюпроблему квантовых вычислений – проблему масштабируемости.В соответствии с вышеизложенным задача хранения и управления многомодовым квантовым состоянием света представляется актуальной.Целью данной работы является сохранение и преобразование многомодового кванто-3вого состояния света, формирование на этой основе кластера для квантовых однонаправленных вычислений с помощью ячеек квантовой памяти.Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:1.
Изучить имеющиеся работы по протоколам квантовой памяти и осуществить обобщение теоретической модели с учетом сложной импульсной структуры квантовогосигнального поля. Построить модель взаимодействия импульсного широкополосногосвета с ячейкой квантовой памяти в предположении произвольного профиля управляющего поля. Получить полное теоретическое описание характеристик такой моделив рамках аппарата квантовой электродинамики.2. Проанализировать возможность сохранения многомодового света и оценить числостепеней свободы ячейки памяти в зависимости от структуры управляющего поля.3.
Исследовать сохранение квантовых корреляций, присутствующих во входном сигнале, при взаимодействии многомодового широкополосного излучения с ячейкой квантовой памяти в присутствии классического управляющего поля.4. Построить процедуру численного поиска профиля управляющего поля, обеспечивающего запись одной заданной супермоды сигнального поля в ячейку памяти.5. Исследовать возможность преобразования профиля квантового сигнала при изменении формы управляющего поля на этапах записи и считывания.6. Найти и обосновать схему построения многомодового квантового кластерного состояния света на основе разработанных ячеек памяти.Основные положения, выносимые на защиту:1.
Рамановский протокол квантовой памяти позволяет эффективно записывать и воспроизводить последовательность фемтосекундных импульсов и демонстрирует значительное число квантовых степеней свободы.2. Квантовые корреляции существенно многомодового излучения параметрического осциллятора, синхронно накачиваемого фемтосекундным лазером (SPOPO), могут бытьэффективно сохранены только в условиях использования схемы коррекции фазы.3.
Cжатие супермод входного сигнала восстанавливается в считываемом свете и сохраняет квантовую статистику.4. Разработан метод поиска профиля управляющего поля, позволяющий эффективновыделить и записать в ячейку квантовой памяти каждую супермоду сигнала SPOPOпо выбору.5. Разработан протокол преобразования формы сигнала с сохранением квантовой статистики на основе ячейки памяти.46. С помощью разработанных ячеек квантовой памяти построено квантовое кластерноемногомодовое состояние света на основе супермод SPOPO.Научная новизна:1.
Впервые исследована возможность храненя последовательности импульсов на однойячейке квантовой памяти, обладающей продольными степенями свободы с учетоммодовой структуры ячейки.2. Обнаружено ограничение работы протокола квантовой памяти в режиме храненияквантовых корреляций и предложен механизм преодоления этого ограничения.3. Предложен новый метод поиска формы управляющего поля, обеспечивающий одномодовый режим работы квантовой памяти для записи конкретной выбранной супермоды сигнального поля.4. Предложена схема конвертации формы квантового сигнала на основе ячейки памятис сохранением его квантовых свойств.Научная и практическая значимость.Одним из важных вопросов квантовой оптики на сегодня является задача преобразования формы неклассического сигнала с сохранением его квантово-статистических свойств.Это необходимо для квантовых вычислений и построения коммуникационных схем, поскольку любые операции линейной оптики требуют строгой согласованности профилейсигналов и одновременности их прихода [13].
Вопрос преобразования формы квантовогосигнала в резонаторной схеме квантовой памяти, как один из вариантов решения этой задачи, был недавно рассмотрен в работе [14]. Однако предложенный авторами метод позволяет изменить профиль только медленных (по сравнению со спектральной шириной модырезонатора) сигналов. Этот метод, в частности, не пригоден для преобразования профиля последовательности фемтосекундных импульсов SPOPO. В диссертационной работемы продемонстрируем, что подобное преобразование может быть выполнено не только врезонаторной модели памяти, но и в свободном пространстве и применим его для трейна импульсов SPOPO. Дополнительно представленный здесь метод позволяет решить ипроблему согласованности сигналов во времени, поскольку мы задействуем долгоживущиестепени свободы ячейки памяти, и имеем возможность считывать преобразованный сигналв удобный с точки зрения квантовых расчетов момент времени, по требованию.
Другимвозможным приложением, требующим строгого контроля и преобразования профиля сигнала, является создание новых неклассических состояний света (например, кластерныхмногомодовых состояний), поскольку для реализации схем их генерации требуются элементы линейной оптики [15, 16].Еще одной особенностью работы с неклассическим светом является то, что при детектировании квантовых сигналов необходимо подбирать профиль поля гомодина как можноболее точно. Это представляет собой отдельную трудность для экспериментаторов придетектировании сигналов, обладающих сложным временным ходом.
Предлагаемый нами5метод позволяет преобразовывать острые импульсные профили сигнала в гладкие с сохранением характерных квантовых особенностей.Отметим, что в задачах телекоммуникации из-за несогласованности профилей сигналаи собственных мод канала его передачи, введение сигнала в коммуникационный канал (ивывод из него) представляется отдельной проблемой, и для более эффективной работысхемы нередко требуется изменить форму сигнала. Для работы с квантовым сигналомнеобходимо разработать аналогичные методы управления формой профиля, однако всеклассические схемы преобразования формы не подходят для этой цели.Все вышесказанное делает работу значимой как для развития новых направлений квантовой оптики, так и для приложения результатов в протоколах квантовых вычислений икоммуникаций.Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным построением квантовомеханической модели и строгим физическим обоснованием всех использованных в работеприближений и предположений.
Для решения поставленных задач был использован хорошо зарекомендовавший себя математический аппарат квантовой электродинамики. Построенная общая модель взаимодействия согласуется с моделями квантовой памяти длячастных случаев при всех крайних значениях параметров.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
