Диссертация (1150447), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Разработан протокол преобразования формы сигнала с сохранением квантовой статистикина основе ячейки памяти.6. С помощью разработанных ячеек квантовой памяти построено квантовое кластерное многомодовое состояние света на основе супермод SPOPO.Научная новизна:1. Впервые исследована возможность храненя последовательности импульсов на одной ячейке квантовой памяти, обладающей продольными степенями свободы с учетом модовойструктуры ячейки.2. Обнаружено ограничение работы протокола квантовой памяти в режиме хранения квантовых корреляций и предложен механизм преодоления этого ограничения.63.
Предложен новый метод поиска формы управляющего поля, обеспечивающий одномодовый режим работы квантовой памяти для записи конкретной выбранной супермодысигнального поля.4. Предложена схема конвертации формы квантового сигнала на основе ячейки памяти ссохранением его квантовых свойств.Научная и практическая значимость.Одним из важных вопросов квантовой оптики на сегодня является задача преобразованияформы неклассического сигнала с сохранением его квантово-статистических свойств. Это необходимо для квантовых вычислений и построения коммуникационных схем, поскольку любыеоперации линейной оптики требуют строгой согласованности профилей сигналов и одновременности их прихода [13].
Вопрос преобразования формы квантового сигнала в резонаторнойсхеме квантовой памяти, как один из вариантов решения этой задачи, был недавно рассмотрен в работе [14]. Однако предложенный авторами метод позволяет изменить профиль толькомедленных (по сравнению со спектральной шириной моды резонатора) сигналов. Этот метод,в частности, не пригоден для преобразования профиля последовательности фемтосекундныхимпульсов SPOPO. В диссертационной работе мы продемонстрируем, что подобное преобразование может быть выполнено не только в резонаторной модели памяти, но и в свободномпространстве и применим его для трейна импульсов SPOPO.
Дополнительно представленныйздесь метод позволяет решить и проблему согласованности сигналов во времени, поскольку мызадействуем долгоживущие степени свободы ячейки памяти, и имеем возможность считыватьпреобразованный сигнал в удобный с точки зрения квантовых расчетов момент времени, потребованию. Другим возможным приложением, требующим строгого контроля и преобразования профиля сигнала, является создание новых неклассических состояний света (например,кластерных многомодовых состояний), поскольку для реализации схем их генерации требуютсяэлементы линейной оптики [15, 16].Еще одной особенностью работы с неклассическим светом является то, что при детектировании квантовых сигналов необходимо подбирать профиль поля гомодина как можно болееточно.
Это представляет собой отдельную трудность для экспериментаторов при детектировании сигналов, обладающих сложным временным ходом. Предлагаемый нами метод позволяетпреобразовывать острые импульсные профили сигнала в гладкие с сохранением характерных7квантовых особенностей.Отметим, что в задачах телекоммуникации из-за несогласованности профилей сигнала исобственных мод канала его передачи, введение сигнала в коммуникационный канал (и выводиз него) представляется отдельной проблемой, и для более эффективной работы схемы нередкотребуется изменить форму сигнала.
Для работы с квантовым сигналом необходимо разработатьаналогичные методы управления формой профиля, однако все классические схемы преобразования формы не подходят для этой цели.Все вышесказанное делает работу значимой как для развития новых направлений квантовойоптики, так и для приложения результатов в протоколах квантовых вычислений и коммуникаций.Степень достоверности полученных результатов обеспечивается корректным построением квантово-механической модели и строгим физическим обоснованием всех использованных вработе приближений и предположений.
Для решения поставленных задач был использован хорошо зарекомендовавший себя математический аппарат квантовой электродинамики. Построенная общая модель взаимодействия согласуется с моделями квантовой памяти для частныхслучаев при всех крайних значениях параметров. Анализ результатов позволяет получить ясные физические интерпретации. Результаты работы обсуждалась с коллегами в рамках научныхсеминаров, школ и конференций, а также опубликованы в ревьюируемых научных журналах,рекомендованных ВАК.Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научныхконференциях, школах, семинарах и воркшопах:• Городской межинститутский семинар по квантовой оптике при РГПУ им.
А.И. Герцена (СанктПетербург, Россия, 2017).• X семинар имени Д.Н. Клышко (Москва, Россия, Апр. 23-25, 2017).• PICQUE Scientific School "Architectures for quantum photonic circuits"(Nice, France, Feb. 8-10,2017).• Семинар кафедры Общей Физики I по квантовой оптике при СПбГУ (Санкт-Петербург, Россия, 2016).• Summer School 2016 (Quantum Information, Spintronics, Metamaterials) organized by the RussianQuantum Center (Moscow, Russia, Aug.
22-27, 2016).8• The workshop "Quantum Science: Implementations"(Benasque, Spain, Jul. 10-29, 2016).• 25th Annual Laser Physics Workshop (Yerevan, Armenia, Jul. 11-15, 2016).• IX международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2015» (СанктПетербург, Россия, Окт. 12-16, 2015).• International Workshop nonlinear photonics: theory, materials, applications (St.Petersburg, Russia,Aug. 24-26, 2011).Личный вклад. Основные результаты, представленные в диссертации, получены авторомлично; выбор направления исследования, постановка и обсуждение рассматриваемых задачосуществлялись совместно с научным руководителем.Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в следующих печатныхизданиях:• A.D.
Manukhova, K.S. Tikhonov, T.Yu. Golubeva, and Yu.M. Golubev. Noiseless signal shapingand cluster-state generation with a quantum memory cell. // Phys. Rev. A, 2017, 96, 023851.• A.D. Manukhova, K.S. Tikhonov, T.Yu. Golubeva, and Yu.M. Golubev. Preservation of quantumcorrelations in a femtosecond light pulse train within an atomic ensemble. // Phys. Rev. A, 2017,95, 013801.• A.S. Sheremet, A.D. Manukhova, N.V.
Larionov and D.V. Kupriyanov. Cooperative light scatteringon an atomic system with degenerate structure of the ground state. // Phys. Rev. A, 2012, 86, 043414.• I.M. Sokolov, M.D. Kupriyanova, D.V. Kupriyanov, M.D. Havey. Light scattering and localizationin an ultracold and dense atomic system. // Phys. Rev. A, 2009, 79, 053405.Все публикации изданы в журналах, рекомендованных ВАК.Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключенияи четырех приложений. Полный объем диссертации составляет 130 страниц с 23 рисункамии 2 таблицами. Список литературы содержит 181 наименование.Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю Татьяне Юрьевне Голубевой за неоценимую помощь, оказанную при работе над диссертацией, терпение, готовность объяснить и помочь.
Особую благодарность автор выражает Ю.М. Голубеву, И.В. Соколову, моему соавтору К.С. Тихонову и всему составу лаборатории квантовойоптики СПбГУ за полезные дискуссии и помощь на всех этапах выполнения диссертации.Отдельную благодарность автор выражает коллективу кафедры Общей Физики-I СПбГУ9за возможность проводить работу на кафедре и за теплую атмосферу.Автор искренне признателен коллективу кафедры «Фотоника» СПбГУ, а также сотрудникам РЦ «Нанофотоника» за огромную моральную поддержку во время работы над диссертацией.Автор выражает искреннюю благодарность своей семье и, в особенности, родителям – Д.В. Куприянову и В.В. Куприяновой – за то, что верили в меня, за вдохновение и поддержку.10Глава 1Обзор литературы1.1Квантовая память и основные подходы к ее оптимизацииВ настоящий момент исследование различных механизмов квантовой памяти является однойиз ключевых задач в области квантовых коммуникаций на больших расстояниях, а также квантовых вычислений.
Квантовая память используется для передачи и хранения информации светового сигнала и реализуется при помощи различных механизмов взаимодействия света с веществом [17]. В роли вещества, ячейки памяти, чаще всего выступает ансамбль атомов, однакосуществует немало протоколов, использующих твердотельные системы. Память осуществляетхранение световых импульсов без разрушения их квантовых состояний. Основная цель памятисохранить информацию, содержащуюся в сигнальном квантовом поле, что достигается, к примеру, посредством преобразования сигнального поля в стационарный кубит спиновой волныатомного ансамбля. Причем эта конвертация должна быть обратимой, т.е.
должна оставаться возможность преобразовать спиновую когерентность обратно в сигнальное поле. Квантоваяпамять включает в себя три основных этапа: запись, хранение и считывание. Как правило,на этапе записи при помощи сильного управляющего поля производится отображение квантового состояния сигнального поля на долгоживущие степени свободы материальной среды.Затем следует этап хранения, в ходе которого в случае идеального процесса ничего не происходит, однако реальное возможное время хранения всегда конечно и обусловлено параметрамиконкретной модели. На этапе считывания при помощи управляющего поля по требованию производится восстановление сигнального поля.Наиболее удобной моделью для построения квантовой памяти остаются атомные многоуровневые схемы. Для того, чтобы имелась возможность реализовать квантовую память с помощью11атомной системы, та должна обладать хотя бы одной внутренней степенью свободы (например,атомной когерентностью).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
