Диссертация (1150447)
Текст из файла
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиМАНУХОВА АЛИСА ДМИТРИЕВНАХРАНЕНИЕ И МАНИПУЛИРОВАНИЕ КВАНТОВЫМИЗЛУЧЕНИЕМ ЧАСТОТНОГО КОМБАСпециальность 01.04.05 —«Оптика»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д.ф.- м.н., профессорГолубева Татьяна ЮрьевнаСанкт-Петербург – 2017СодержаниеВведение41 Обзор литературы111.1 Квантовая память и основные подходы к ее оптимизации . . .
. . . . . . . . . . . 111.1.1 Основные модели квантовой памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.1.2 Критерии оценки работы квантовой памяти: эффективность, время хранения, многомодовость, фиделити. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2 Излучение параметрического осциллятора, синхронно накачиваемого фемтосекундным лазером (SPOPO) . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.3 Квантовые вычисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.3.1 Сравнение классического компьютера, квантового компьютера на унитарных преобразованиях и квантового компьютера на измерениях. . . . . . . 331.3.2 Кластерные состояния в дискретных и непрерывных переменных . . .
. . 381.3.3 Однонаправленные вычисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 Квантовая память для гребёнки фемтосекундных импульсов452.1 Мотивация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 452.2 Модель квантовой памяти на основе многочастотного комба . . . . . . . . . . . . 472.2.1 Энергетическая схема. Коллективные операторы . . . . . . . . . . . . . . . 472.2.2 Энергия системы. Полный гамильтониан системы . . . . . . . . . . . . . . 502.3 Уравнения Гайзенберга-Ланжевена и их решения . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 522.3.1 Вывод системы уравнений Гайзенберга-Ланжевена . . . . . . . . . . . . . . 522.3.2 Решение системы уравнений Гайзенберга-Ланжевена . . . . . . . . . . . . . 562.3.3 Анализ и упрощение полученных решений в рамановском пределе при выборе формы сигнального и управляющего полей в виде трейнов прямоугольных импульсов . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.4 Интегральные уравнения и моды Шмидта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.5 Квантово-статистические особенности излучения SPOPO . . . . . . . . . . . . . . 672.6 Оценка эффективности этапа записи .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.7 Cохранение квантовых корреляций входного сигнала на этапе считывания . . . . 742.8 Сохранение сжатия в супермодах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782.9 Выводы и заключения по второй главе . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813 Управление квантовыми состояниями света на основе квантовой памяти3.1 Мотивация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.2 Интегральные уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .3.3 Переход от импульсной картины к огибающим . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.4 Выбор управляющего поля для эффективной записи одной супермоды . . . .3.5 Преобразование формы сигнала на ячейке памяти . . . . . . . . . . . . . . . .3.5.1 Смешение ортогональных мод на светоделителе . . . . . . . . . . .
. . .3.5.2 Запись и считывание ортогональных мод . . . . . . . . . . . . . . . . . .2..............84848587899292943.63.7Построение кластерного состояния на основе излучения SPOPO . . . . . . . . . . 97Выводы и заключения по третьей главе . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 102Заключение104A Информация о физических параметрах реальных комбов123B Вывод уравнения Гайзенберга для коллективной спиновой когерентности σ̂13 (t, z)124C Связь ядер интегральных преобразований при записи и при считывании127D Спектры подавления дробового шума фототока1283ВведениеЗа последние двадцать лет бурное развитие и экспериментальные успехи квантовой оптикипривели к формированию новых фундаментальных направлений, таких как теория квантовыхкоммуникаций и теория квантовых вычислений [1, 2].
Представленное диссертационное исследование относится к обоим указанным направлениям и затрагивает как вопросы передачи информации, так и вычислительные аспекты квантовой теории.В первой части работы мы рассматриваем проблематику хранения квантового сигнала, чтоявляется 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. Это является важным отличием квантовой информатики от классической, поскольку любое единичное измерениеразрушает квантовую информацию, а «скопировать» ее не представляется возможным в силупринципа запрета клонирования. Таким образом, привычные для классической информатикисхемы 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 интересующееквантовое состояние на другой долгоживущий квантовый объект, а затем воспроизводить егобез потерь квантово-статистических особенностей [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 сложнойвременной структурой. В отличие от предыдущих исследований мы будем интересоваться хранением не одиночного импульса [6], а последовательности скоррелированных фемтосекундныхимпульсов [7–9]. Такое расширение протокола оказывается важным для параллельной многоканальной передачи информации, а также для манипулирования статистикой сигнала внутриячейки памяти.4Вторая часть работы базируется на результатах первой части и связана с проблематикойквантовых вычислений. Мы исследуем возможность построения на основе ячеек памяти многомодового кластерного состояния света, которое в настоящий момент рассматривается какнеобходимый элемент, своего рода «матрица», для проведения однонаправленных вычислений [10, 11].
Метод однонаправленных вычислений принципиально отличается от «традиционного» квантового компьютера тем, что в ходе вычислений выполняются локальные измеренияи кластерное состояние последовательно разрушается [12]. Однако есть надежда, что такая техника позволит не только обеспечить ту же скорость вычислений, что и квантовый компьютерна унитарных преобразованиях, но и преодолеть главную проблему 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 квантовогосостояния 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 обобщениетеоретической модели с учетом сложной импульсной структуры квантового сигнальногополя. Построить модель взаимодействия импульсного широкополосного света с ячейкойквантовой памяти в предположении произвольного профиля управляющего поля. Получить полное теоретическое описание характеристик такой модели в рамках аппарата квантовой электродинамики.2. Проанализировать возможность сохранения многомодового света и оценить число степеней свободы ячейки памяти в зависимости от структуры управляющего поля.3. Исследовать сохранение квантовых корреляций, присутствующих во входном сигнале, привзаимодействии многомодового широкополосного излучения с ячейкой квантовой памятив присутствии классического управляющего поля.4.
Построить процедуру численного поиска профиля управляющего поля, обеспечивающегозапись одной заданной супермоды сигнального поля в ячейку памяти.55. Исследовать возможность преобразования профиля квантового сигнала при измененииформы управляющего поля на этапах записи и считывания.6. Найти и обосновать схему построения многомодового квантового кластерного состояниясвета 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 значительноечисло квантовых степеней свободы.2.
Квантовые корреляции существенно многомодового излучения параметрического осциллятора, синхронно накачиваемого фемтосекундным лазером (SPOPO), могут быть эффективно сохранены только в условиях использования схемы коррекции фазы.3. Cжатие супермод входного сигнала восстанавливается в считываемом свете и сохраняетквантовую статистику.4. Разработан метод поиска профиля управляющего поля, позволяющий эффективно выделить и записать в ячейку квантовой памяти каждую супермоду сигнала SPOPO повыбору.5.
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}
