Квантовая поляризационная томография внутрирезонаторных бифотонных полей

Диссертационная работа посвящена проблемам создания устройств, функционирующих в области квантовой информации. Развитие информационных технологий в XXI веке является одним из главных направлений мировой эволюции. На сегодняшний день совершенно новым этапом этого развития является внедрение устройств, использующих законы квантовой механики для обработки, передачи и хранения информации. Разработка протоколов и физических принципов работы таких устройств активно велась с середины XX века и выявила несколько наиболее перспективных направлений.

Одним из таких направлений является создание высокоэффективных однофотонных и двухфотонных источников с заданными характеристиками, которые используются в качестве носителей информации в квантовой криптографии, квантовых вычислениях, устройствах квантовой памяти [1, 2]. Эффективность таких источников определяется вероятностью зарегистрировать именно один фотон (или два фотона в случае двухфотонного источника) на выходе. Для реализации задач, связанных с передачей квантовой информации на большие расстояния, требуются однофотонные и двухфотонные источники с высокой яркостью [3], а для эффективного взаимодействия таких состояний с другими квантовыми объектами требуется управлять шириной их спектра в широком диапазоне. В частности, важной задачей является создание источников одно-фотонных состояний с шириной полосы от сотен до десятков МГц, что обусловлено необходимостью взаимодействия таких состояний с атомными системами [4]. Наиболее перспективным и широко применяемым способом получения однофотонных и двухфотонных состояний света является спонтанное параметрическое рассеяние света (СПР)[5]. Создание однофотониых и двухфотонных источников с контролируемым узкополосным спектром на основе внутрирезонаторного режима СПР является одной из задач, решаемых в диссертационной работе.

Не менее важной задачей квантовой информатики является задача восстановления (реконструкции) квантового состояния после выполнения последовательности преобразований, соответствующих определенным математическим функциям. В качестве таких преобразований удобно применять поляризационные преобразования в силу простоты и надежности экспериментальной реализации и хорошо развитого математического аппарата. В данной диссертационной работе осуществлялись поляризационные преобразования получаемых двухфотонных состояний света и проводилась реконструкция таких состояний методом квантовой поляризационной томографии. На основе таких двухфотонных состояний можно реализовать квантовые вычисления с троичной логикой [6].

Таким образом, задачи, решаемые в данной диссертационной работе, затрагивают самые современные и активно развивающиеся области квантовой оптики, а тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы.

Целью диссертации является создание высокоэффективных узкополосных однофотониых и двухфотонных источников на основе внутрирезонаторного режима спонтанного параметрического рассеяния и реализация поляризационной квантовой томографии генерируемых бифотон-ных полей.

Научная новизна.

1. Созданы макеты источников однофотонного состояния света на основе СПР в оптическом резонаторе, позволяющие управлять временной формой волновых пакетов. Впервые получены коррелированные пары узкополосных ортогонально-поляризованных пакетов на длине волны 650 нм в процессе СПР излучения гелий-кадмиевого лазера в кристалле Бета-бората бария (ВВО), находящемся в оптическом резонаторе. Исследована форма корреляционной функции второго порядка бифотонного ноля в случае двухи однорезонаторного параметрического генератора света (ПГС).

2. Впервые с использованием оптического резонатора осуществлена квантовая поляризационная томография узкополосных, ортогонально-поляризованных, коллинеарных, вырожденных по частоте бифотонов и выполнены поляризационные преобразования таких состояний бифотонного поля.

Положения, выносимые на защиту.

1. Созданный экспериментальный комплекс позволяет проводить контролируемые поляризационные преобразования бифотонного поля и осуществлять поляризационную томографию таких состояний.

2. Разработанные макеты источников однофотонного состояния света на основе СПР в кристалле ВВО позволяют преобразовывать широкий спектр СПР в набор узких спектральных линий (порядка сотен МГц) с более высокой яркостью.

3. Развитая процедура поляризационной томографии бифотонного поля с помощью набора фазовых пластинок и поляризационных призм Гла-на является основой для создания устройств троичной логики, использующих узкополосные бифотоны.

4. Развитые методы управления временем когерентности твердотельных носителей информации позволяют повысить информационную емкость оптических эхо-процессоров.

Достоверность результатов.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечивалась надежностью используемых экспериментальных методов, высокой точностью измерений, использованием современного экспериментального оборудования, тщательностью обработки полученных экспериментальных данных, воспроизводимостью полученных результатов, хорошим согласием с теоретическими расчетами и многократной апробацией результатов на научных семинарах и конференциях.

Научная и практическая ценность.

1. Созданный однофотонный резонаторный источник света на основе СПР характеризуется узкой спектральной шириной бифотонного поля и может быть использован при решении многих задач квантовой оптики. ,.

2. Созданная аппаратура и предложенная процедура поляризационной томографии внутрирезонаторных бифотонных состояний может быть использована при создании квантовых устройств троичной логики.

3. Теоретические разработки операций оптических эхо-процессоров могут быть полезными при создании таких устройств квантовой оптики.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях молодых ученых и семинаре КФТИ КНЦ РАН (Казань, 2006 г., 2010 г.), на международных молодежных научных школах «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2005 г., 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г.), на всероссийской конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2006 г.), на международных чтениях по квантовой оптике (Самара, 2007 г. и Волгоград, 2011 г.), на международной конференции по когерентной нелинейной оптике 1ССЖО/ЬАТ-2010 (Казань, 2010 г.), на международном симпозиуме по фотонному эхо и когерентной спектроскопии ФЭКС-2009 (Казань, 2009 г.), на всероссийских научных школахсеминарах «Волны» (Звенигород, 2006 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г., 2011 г.), на всероссийских семинарах памяти Д. Н. Клышко (Москва, 2009 г., 2011 г.), на семинарах лаборатории нелинейной оптики КФТИ КНЦ РАН.

Тематика диссертации связана с одной из базовых тем КФТИ КНЦ РАН: «Разработка методов когерентной оптической спектроскопии сверхбыстрого разрешения, исследование ультрабыстрых процессов в примесных твердотельных средах, полупроводниках, нанообъектах и поиск оптимальных режимов использования неклассического света в квантовых устройствах обработки информации» (2008;2012 г. г.), с грантами РФФИ № 08−02−32а и 11−02−40а, а также № 10−02−90 000 Бел.а. Индекс основного направления фундаментальных исследований: 2.3.

Основное содержание диссертации изложено в 10 научных работах, из которых 5 статей опубликованы в рекомендованных ВАК научных журналах.

Личный вклад автора.

В большинстве совместных работ автором диссертации выполнена основная часть исследований, а также теоретические разработки. Соавторам этих работ принадлежит постановка задач, обсуждение полученных результатов и участие в написании статей.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Основных результатов, Выводов и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 110 страниц машинописного текста, включая.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Создан экспериментальный комплекс для реализации поляризационных преобразований состояний бифотонного поля и его поляризационной томографии.

2. Созданы действующие макеты источников однофотонных и двух-фотонных состояний света на основе СПР в резонаторе. Получены коррелированные пары узкополосных ортогонально поляризованных фотонов на длине волны 650 нм в процессе СПР излучения гелий-кадмиевого лазера в кристалле ВВО, находящимся в оптическом резонаторе. Исследованы формы корреляционных функциий второго порядка бифотонного поля в случае двухи однорезонаторного параметрического генератора света, позволяющие контролировать спектральные характеристики би-фотонов.

3. Впервые с использованием оптического резонатора осуществлена квантовая поляризационная томография узкополосных, ортогонально поляризованных, коллинеарных, вырожденных по частоте бифотонов. Проведенные поляризационные преобразования таких состояний бифотонного поля находятся в хорошем согласии с теоретическими расчетами.

4. Осуществлены теоретические разработки ряда актуальных задач функционирования твердотельных фотонных эхо-процессоров: операций «запирания» эхо процессинга, операций по удлинению времени оптической дефазировки радиочастотными методами. Данные методы позволяют значительно повысить информационную емкость как фотонных эхо-процессоров, так и оптических запоминающих устройств, работающий на твердотельных носителях информации.

БЛАГОДАРНОСТИ:

Автор диссертации выражает искреннюю благодарность своему Учителю и научному руководителю, профессору, доктору физико-математических наук В. В. Самарцеву, за предоставленную тему, постоянное внимание и помощь работе. Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность А. А. Калачеву, А. В. Шкаликову, А. А. Калинкину, А. Е. Михайлову совместно с которыми была выполнена часть экспериментов и полезные обсуждения полученных результатов. Также автор диссертации выражает благодарность C.B. Петрушкину, Р. Н. Шахмуратову, В. А. Зуйкову и всем сотрудникам лаборатории нелинейной оптики за помощь и ценные советы.