Диссертация (1150447), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Минимальное количество уровней, которыми должна в этом случаеобладать система равняется трем. Поэтому самая простая и, как следствие, самая распространенная конфигурация это Λ(лямбда)-конфигурация энергитических уровней [18]. Несмотря нато, что в моделях используют и большее количество уровней, трех- и четырехуровневые схемывстречаются наиболее часто [19].Ячейка памяти, позволяющая получить квантовый сигнал по требованию, является необходимым элементом квантового повторителя и включена в схемы квантовых логических преобразований. На сегодня найден уже целый ряд схем квантовой памяти, в основе которых лежатразличные механизмы взаимодействия: эффект электромагнитной индуцированной прозрачности (EIT – Electromagnetically Induced Transparency), квантовое неразрушающее измерение(схемы QND – Quantum nondemolition), рамановское взаимодействие в Λ-конфигурации, быстрая резонансная память, контролируемое обратимое неоднородное уширение (CRIB – ControlledReversible Inhomogeneous Broadening) и схемы с использованием атомного частотного комба(AFC – Atomic Frequency Comb).1.1.1Основные модели квантовой памятиКвантовая память на основе эффекта EITКвантовая память, основанная на эффекте электромагнитной индуцированной прозрачности,является одной из первых предложенных моделей и наиболее хорошо изучена на данный момент.
Этот эффект также известен как эффект «замедления (или остановки) света», что, строго говоря, не является верным. Основные принципы электромагнитной индуцированной прозрачности и их применение в протоколах когерентной памяти для света рассмотрены в работах [20, 21].Протокол памяти EIT эксплуатирует контролируемое уменьшение групповой скорости светового импульса до нуля и реализуется через стационарное резонансное взаимодействие двухполей, сигнального и управляющего, с ансамблем атомов, имеющих Λ-конфигурацию энергетических уровней [20–23]. Уменьшение скорости импульса поля, действующего на одном из двухпереходов (например, |1i-|2i), достигается за счет включения управляющего поля на другомпереходе |3i-|2i (см. Рис.1.1б).
Важным условием является соотношение длительности сигналаи протяженности среды – сигнальный импульс должен быть достаточно длинным, чтобы за12a)б)Рисунок 1.1: Иллюстрация работы протокола квантовой памяти на основе эффекта электромагнитной индуцированной прозрачности: а) Демонстрация эффекта «остановки света» – пространственного сжатия светового импульса за счет уменьшения его групповой скорости при распространении в среде б) Схема памяти EIT – на ансамбль атомов, имеющих Λ-конфигурациюэнергетических уровней, подано два поля. Контроллируемое управляющее (опорное) поле действуюет на переходе |3i-|2i (зеленая линия); сигнальное записываемое поле действует на переходе |1i-|2i (синяя линия).работать стационарные условия электромагнитной прозрачности, а групповая скорость стольмалой, чтобы при распространении в среде импульс целиком в ней умещался.Процесс памяти реализуется в двух последовательных однофотонных переходах и выглядитследующим образом [24].
В начальный момент времени с помощью оптической накачки все атомы ансамбля приготовлены в основном состоянии |1i. Для того, чтобы установился режим EITодновременно включают оба поля: сильное управляющее поле действует на среду и та становится прозрачной для слабого сигнального импульса. При этом у сильного «записывающего»опорного поля амплитуда постоянна и система приходит в стационарный режим. Групповаяскорость импульса сигнального поля уменьшается до нуля, что приводит к его пространственному сжатию (см. Рис.1.1а). Для того чтобы выполнить запись, управляющее поле выключаюти сигнальный импульс мгновенно конвертируется в атомную когернетность нижних подуровнейатомного ансамбля.
Поскольку импульс в этот момент целиком находится в среде, то конвертация будет полной. Именно из-за этого память на эффекте EIT называют «остановкой» света,хотя на самом деле сигнал полностью рассеивается на атомах среды. Для того чтобы выполнитьсчитывание управляющее поле включают вновь и спиновая когерентность конвертируется обратно в сигнальное поле, которое несет в себе классические и квантовые свойства сигнальногоимпульса, поданного на вход среды.Поиск систем, демонстрирующих снижение групповой скорости, проводился не только средиатомов, обладающих Λ-конфигурацией – например, были изучены ансамбли с N -конфигурациейэнергетических уровней [25].13Первые экспериментальные работы, посвященные хранению света с помощью эффекта EITбыли проведены в 2001 году [22, 26] .
Несмотря на то, что в обоих случаях, авторам не удалось достигнуть квантового режима из-за низкой эффективности процесса, было показано, чтокогерентное хранение света с помощью EIT в принципе возможно: в работе [26] удалось сохранить импульсы света длительностью 10 − 30мкс в ячейке с парами рубидия вплоть до 0.2мс, вработе [22] в качестве памяти использовали облако атомов натрия внутри магнито-оптическойловушки и максимальное время хранения составило уже 0.9мс. В 2007 году были теоретически проанализированы различные экспериментальные конфигурации и доказано, что в случаесовпадения временных профилей управляющего и сигнального импульсов единственный параметр, которым будет определяться эффективность хранения, является оптическая толщинасреды [27].
Чем выше значение толщины, тем более эффективным будет процесс памяти. Помимо эффективности, которая является классическим параметром квантовой памяти и определенакак отношение интенсивностей считанного и записанного полей, большой интерес представляетсохранение неклассических свойств света. Так в 2005-2009 годах ряде экспериметальных работбыли продемонстрированы возможность сохранения в протоколе EIT одиночных фотонов [28]и сохранение сжатого вакуумного состояния света [29, 30].Стоит отметить, что память EIT имеет существенный недостаток – работая в рамках этоймодели, возможно сохранить исключительно одномодовый сигнал.
Снижение групповой скорости за счет повышения дисперсии показателя преломления неизбежно сопровождается сужением рабочей полосы частот [31, 32]. Большая длительность импульса сигнального поля существенно ограничивает ширину его частотного спектра и как следствие пропускную способностьквантового информационного канала, включающего в себя такую ячейку памяти. Это такжеприводит к большим потерям, связанным со спонтанным распадом возбужденного состояниячастиц (декогеренцией). Несмотря на это, протоколом продолжают активно заниматься по сейдень [33].Широкополосные модели квантовой памяти: CRIB и AFCМодели памяти CRIB (Controlled Reversible Inhomogeneous Broadening – контролируемое обратимое неоднородное уширение) и AFC (Atomic Frequency Comb – атомная частотная гребенка)обычно используют Λ - конфигурацию энергетических уровней ансамбля атомов, как и в случае памяти EIT, а для долговременного хранения возбуждение конвертируется в когерентность14нижних подуровней.
Однако, в отличие от EIT, эти протоколы являются широкополосными ипозволяют работать в многомодовом режиме.Принцип работы памяти CRIB можно описать следующим образом (см. Рис. 1.2а). На этапеa)б)Рисунок 1.2: Схемы энергетических уровней атомных ансамблей в протоколах памяти: a)CRIB (Controlled Reversible Inhomogeneous Broadening – контролируемое обратимое неоднородное уширение) б) AFC ( Atomic Frequency Comb - атомный частотный комб).записи сигнальное поле действует на переходе между нижним подуровнем основного состояния|1i и возбужденным уровнем |2i, а классический π - импульс опорного поля на переходе |2i-|3i,перенося населенность с возбужденного состояния на изначально незаселенный подуровень |3iосновного состояния. На этапе считывания повторно включается π - импульс, но в обратномнаправлении: в ходе процесса восстановления сигнала внешнее управляющее поле должно бытьвключено таким образом чтобы неоднородное случайное штарковское смещение уровней оказалось обращено, это позволяет обратить и временную динамику.
В итоге, с точностью до потерь,обусловленных частичным спонтанным распадом возбужденного состояния, удается получитьидеально восстановленный сигнал в противоположном направлении.Протокол квантовой памяти CRIB был предложен М.Нильсоном и С.Кроллем в 2005 году [34] на основе работ С.Моисеева, посвященных эффекту фотонного эха [35]. Впервые этааббревиатура использована в 2006 году командой Крауса в работе [36]. Протокол был успешнореализован позже несколькими экспериментальными группами с использованием твердотельных систем, доппированных редкоземельными ионами [37–39].В зависимости от взаиморасположения направлений распространения опорного и сигнального полей различают два вида моделей памяти CRIB.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
