Диссертация (1150447), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Если направления перпендикулярны,так что атомные частоты уширены поперек ансамля, речь идет о t-CRIB (transverse CRIB –перпендикулярном CRIB). Если направления параллельны и атомные частоты уширены вдоль15ансамбля, то модель называют l-CRIB (longitudinal CRIB – продольный CRIB) или, что встречается чаще, GEM (gradient echo memory – градиентная эхо-память).В протоколе атомного частотного комба, AFC, предполагается, что можно приготовитьатомный ансамбль с большим количеством эквидистантно расположенных линий поглощения [3] (см. Рис. 1.2б).
Этот атомный частотный гребень играет роль, аналогичную роли неоднородного уширения верхнего уровня в CRIB, соответственно увеличивая ширину полосы поглощения адсорбирующего резонанса. Широкополосный сигнальный импульс, ширина которогопокрывает большую часть зубьев атомного комба адсорбируется частотным атомным комбом.Короткий по времени сигнальный импульс эффективно поглощается, а затем возбуждение переносится опорным полем на уровень |3i. Как и в случае с CRIB, весь процесс поглощения долженбыть завершен задолго до того, как возбужденное состояние верхнего уровня распадется.
Длятого, чтобы считать сигнал, вновь включают опорное поле и возбуждение восстанавливаетсяв виде частотного комба. В силу дискретной структуры комба атомный диполь «разворачивает фазу» и сигнальный импульс испускается. Протокол памяти AFC хорошо подходит дляпараллельного одновременного хранения нескольких полей, что делает его привлекательнымдля использования в квантовых репиторах. Активно ведутся работы как по теоретическимуисследованию [40], так и экспериментальному воплощению этого протокола [41, 42].Модели квантовой памяти: квантовое неразрушающее измерение, адиабатическаяпамять, быстрая резонансная память и рамановский протоколДля полноты картины опишем кратко и другие распространенные протоколы квантовой памятитакие как квантовое неразрушающее измерение, адиабатическая память, быстрая резонанснаяпамять и рамановский протокол.Протокол квантовой памяти с использованием квантового неразрушающего измерения (QND– quantum nondemolition measurement) был впервые предложен в 2003 году [43] группой Ю.
Ползика и затем тщательно разработан в работе [44]. Как правило QND-память рассматривают в четырехуровневой схеме энергетических уровней, каналы которой можно использовать не толькодля сохранения квантовых состояний света, но также и для их генерации [45]. Квантовое неразрушающее измерение(взаимодействие) сводится к двум основным эффектам [3]: фарадеевскомувращению поляризации света, вызванному компонентой коллективного спина среды вдоль направления распространения сигнального и опорного полей, а также поворотом коллективного16спина, обусловленным неравными световыми сдвигами магнитных подуровней основного состояния при различающихся интенсивностях вкладов ортогональных круговых поляризаций вполную световую волну.
Особенность протоколов памяти на квантовом неразрушающем взаимодействии состоит в том, что требуется два прохода излучения через среду – каждый проходобеспечивает запись только одной квадратуры света [46]. Протокол квантовой памяти QND [47]стал первым протоколом, в котором удалось превысить классический порог [48] и сохранитьквантовые свойства записанного света.Протоколы адиабатической и быстрой квантовой памяти реализуются на ансамбле атомовс Λ-конфигурации энергетических уровней. Модель адиабатической квантовой памяти предполагает, что время взаимодействия света с ансамблем T , с одной стороны, превышает значениеT dγ −1 , где γ −1 – время жизни возбужденного состояния, а d – оптическая толщина, но приэтом, одновременно оказывается гораздо меньше времени установления в среде прозрачности(EIT).
В отличие от памяти EIT, протоколы адиабатической и быстрой квантовой памяти нетребуют того, чтобы сохраняемый импульс света был большой длительности – наоборот, этовремя выбирают существенно меньшим, тогда память будет формироваться за счет действияуже не стационарных, а динамически развивающихся во времени физических процессов. Каки в случае памяти на основе эффекта EIT, такой подход позволяет адиабатически исключитьвозбужденное состояние среды из рассмотрения, но при этом частично снимается ограничение на спектральную ширину сигнала – иными словами, появляется спектральная многомодовость. При этом эффективность хранения уже будет определяться не одной только оптическойтолщиной d, но и временем взаимодействия T , которые оказываются связаны друг с другомнетривиальным образом [49], и выбор наилучших параметров предполагает некоторую процедуру оптимизации.
Впервые протокол адиабатической памяти для пространственно одномодового случая был предложен в [27]. Его изучение для многомодового случая было продолженов [49]и [50]. Принципиально иная ситуация возникает в случае быстрой резонансной квантовойпамяти, когда длительность импульса сигнального поля Ts очень короткая и лежит в интервалеL/c Ts γ −1 .
Это приводит к тому, что релаксационными явлениями при описании считывания и записи можно пренебречь, но в отличие от адиабатической памяти и памяти на основеэффекта EIT верхний уровень будет динамически заселяться, что может привести к потерям.К достоинствам этого механизма памяти относят его большую широкополосность и короткое17время протекания всех процессов взаимодействия, что важно в вычислительных схемах.В схеме квантовой памяти, основанной на рамановском взаимодействии (комбинационномрассеянии света) слабое сигнальное и сильное управляющее поля также взаимодействуют сатомным ансамблем Λ-конфигурации.
Однако в этом случае поля взаимодействуют не в резонансе: их несущие частоты отстроены от резонанса на некоторую большую (в сравнении соскоростью распада верхнего уровня) и одинаковую для обоих полей величину. Наличие этойотстройки фактически приводит к тому, что верхний уровень не заселяется. Вместо этого происходит двухфотонный процесс, когда сначала фотон сигнального поля заселяется на промежуточный виртуальный уровень, а затем подхватывается управляющим полем и так попадаетна нижний уровень, порождая спиновую когерентность.
В отличие от схем EIT здесь нет принципиального требования на соотношение длительности сигнального импульса и размера среды.Подробнее этот протокол будет рассмотрен в разделе 2.2.1.1.2Критерии оценки работы квантовой памяти: эффективность, время хранения, многомодовость, фиделити.Помимо самих механизмов реализации квантовой памяти всегда остро стоит вопрос о том насколько хорошо будет работать конкретный протокол. Подходы к оптимизации памяти постоянно меняются, а меры качества квантовой памяти усложняются в соответствии с тем, какуюименно информацию, хранящуюся в исходном сигнале, нам хотелось бы сохранить. Рассмотрим основные параметры, применяемые для оценки эффективности работы памяти.
Как правило, наибольшее значение имеют следующие три параметра: эффективность, время храненияи количество временных(или частотных) мод, которые в состоянии сохранить квантовая память. Отметим, что интерес представляют не параметры по отдельности, а их комбинации [51].Дополнительно стоит указать такой параметр памяти как квантовая верность(фиделити), отвечающий за то, насколько квантовая память способна сохранить квантовое состояние света.Рассмотрим эти параметры подробнее.ЭффективностьЭффективность является одной из основных и физически понятных характеристик, описывающих работу квантовой памяти.
Говоря простым языком, эффективность квантовой памятиэто отношение среднего числа фотонов восстановленного сигнального поля Nrestored к среднему18числу фотонов исходного Ninitial :η=Nrestored.Ninitial(1.1)Здесь Ninitial = hâ†in âin i и Nrestored = hâ†out âout i, a операторы âin/out – операторы уничтоженияфотонов сигнального поля на входе и выходе из ячейки памяти, соответственно.Несмотря на столь простое опредление эффективность квантовой памяти сложным образомзависит от многих параметров. При этом крайне важно, чтобы эффективность работы ячейки квантовой памяти была достаточно высокой, поскольку, как правило, исходное квантовоеполе само по себе слабое.
В работе [52] было показано, что квантовый режим достигается пристрогом выполнении условия η ≥ 50 % поэтому поиск оптимальных условий, которые позволили бы увеличить эффективность квантовой памяти по сей день одна из главных целеймногих теоретических и экспериментальных работ. Вопросам оптимизации посвящены работыА. Горшкова [53] 2007 г., А. Дантана и М.
Пинара [54, 55] 2004 - 2006 г.г. и Дж. Нуна [6] 2007 г.Одним из способов получения высокой эффективности является использование большойоптической плотностиd=2g 2 N L,γ(1.2)где g – константа связи квантового излучения и вещества, N – число атомов ансамбля, L – длина ячейки памяти, γ −1 – время жизни возбужденного состояния. При этом значение оптическойплотности зависит не только от самого вещества, но и от набора частот, характеризующих исходное излучение. Стоит также помнить, что в реальном эксперименте не всегда представляетсявозможным получить оптимальное значение оптической плотности, рассчитанное теоретически.К примеру, для атомных ансамблей его значение обычно лежит в пределах сотни и на данныймомент не превышает 1000 [56].Помимо оптической плотности на эффективность памяти также влияет форма управляющего импульса.
Оптимизировав форму классического управляющего поля, можно значительноповысить эффективность квантовой памяти. Первая экспериментальная работа, посвященнаяреализации протокола квантовой памяти с использованием оптимальной формы управляющегоимпульса, была выполнена группой И. Новиковой в 2007 г. [57] .
В данной работе оптимизацияпроцессов записи и восстановления, а также формы контрольного поля была выполнена наоснове результатов работы [53], и эффективность квантовой памяти составила 40%.Еще один способ увеличения эффективности квантовой памяти основан на смене направле19ния управляющего поля при считывании. Обратим внимание, что в общем случае возможны дваварианта считывания – прямое (когда считывающее управляющее поле сонаправлено с полямипри записи) и обратное (когда управляющее поле при записи и при считывании противонаправлены). В работе [6] было показано что при считывании квантового состояния управляющимимпульсом, имеющим противоположное направление относительно записывающего импульса,эффективность будет выше чем в случае прямого считывания.
Данная возможность обусловленна неоднородным распределением спиновых возбуждений внутри ансамбля и отмечаласьмногими авторами [49]. В трехуровневом случае детально рассматривалась в работе [53].За последнее время экспериментальные лаборатории, работающие над созданием квантовойпамяти, добились больших результатов. В 2013 году экспериментальная лаборатория под руководством П.К. Лэма, занимающаяся созданием квантовой памяти по протоколу CRIB объявила,что достигнута эффективность квантовой памяти 80% при временной задержке 195мкс [58],а в настоящее время экспериментально достигнуты значения эффективности уже порядка90%. Например, в работе [59] был осуществлен с рекордной эффективностью (87 ± 2%) протокол квантовой памяти на ансамбле ультра-холодных атомов Rb87 , охлажденных с помощьюмагнито-оптической ловушки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
