Многомодовый квантовый обмен между световой и атомной подсистемами при комбинационном рассеянии света

Мишина, Оксана Сергеевна

Многомодовый квантовый обмен между световой и атомной подсистемами при комбинационном рассеянии света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Мишина, Оксана Сергеевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.02 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Многомодовый квантовый обмен между световой и атомной подсистемами при комбинационном рассеянии света»

Автореферат диссертации на тему "Многомодовый квантовый обмен между световой и атомной подсистемами при комбинационном рассеянии света"

На правах рукописи

Мишина Оксана Сергеевна

МНОГОМОДОВЫЙ КВАНТОВЫЙ ОБМЕН МЕЖДУ СВЕТОВОЙ И АТОМНОЙ ПОДСИСТЕМАМИ ПРИ КОМБИНАЦИОННОМ РАССЕЯНИИ СВЕТА

Специальность 01.04.02 - теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург — 2008

003460111

Работа выполнена на кафедре теоретической физики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Куприянов Дмитрий Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Казаков Александр Яковлевич

кандидат физико-математических наук, Голубева Татьяна Юрьевна

Ведущая организация:

Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе

Защита состоится с&С^Ф/дс-С- 2009 г. в » часов на

заседании диссертационного совета Д 212.229.29 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая д. 29, корп.ауд. ^

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан ^¿¿сс^Ос^ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук ^ Ермакова Н.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и цель работы. Впечатляющий прогресс в технике оптического эксперимента, совершенный в последние десятилетия, продемонстрировал новые возможности проверки и практического применения фундаментальных и глубоко интригующих положений квантовой теории, сжато сформулированных в принципе неопределенности Гейзенберга. Это, по существу, и привело к возникновению нового направления — физики квантовой информации, стремительно развивающейся в настоящее время. К истокам этого направления можно отнести ранние исследования энтузиастов: оригинальное предложение идеи квантового компьютера американским физиком Р. Фейнманом, и предшествующие ему общефизические обсуждения квантовых пределов для информационных каналов в работах американского математика К. Шеннона и советских математиков Р. Стратоновича и А. Холево. К настоящему времени, понимание важности проблемы еще более возросло, и появился ряд экспериментов, демонстрирующих возможность телепортации состояний, отображения состояний в разных физических системах (квантовая память) и осуществления элементарных квантовых логических операций. Это направление, вовлекающее все большее количество исследователей из разных областей физики, имеет принципиальное значение для выявления предельного знания, которое мы можем получить о состоянии как микроскопического, так и макроскопического объекта в процессе взаимодействия с ним. Этот вопрос, в свою очередь, теснейшим образом связан с выяснением физических пределов в управлении, как микро, так и макрообъектами с помощью современных микро и нанотехнологий.

интенсивно развивается в мире и отчасти является уже коммерческим проектом. Имеются серьезные, но преодолимые технические трудности в расширении радиуса действия квантовых компьютерных сетей. В настоящее время эта проблема интенсивно обсуждается теоретически с точки зрения выбора оптимальных протоколов для проведения демонстрационных экспериментов. Имеются обоснованные надежды, что необходимые для ее практического решения квантовые повторители (аналоги классических оптических усилителей) будут разработаны уже в ближайшие десятилетия. Обратим также внимание на то, что, с принципиальной физической точки зрения, для современных компьютерных сетей, требующих постоянного увеличения объемов обрабатываемых информационных потоков, по-видимому, в перспективе нет другой альтернативы, кроме как осуществление и использование квантовых информационных протоколов. В связи с этим, исследования в этой области имеют фундаментальное значение для будущего микроэлектроники и прикладных направлений в оптике.

Важным примером квантового устройства, исследованным в представленной работе, является система квантовой памяти, физическая идея которой основана на обмене квантовыми состояниями между светом, как носителем информации и материальной средой, как элементарной ячейкой для её хранения. Целью настоящей работы является создание многомодового протокола квантовой памяти при комбинационном рассеянии излучения оптически плотной атомной средой в стимулированном и когерентном режиме.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обнаружено, что процесс вынужденного комбинационного рассеяния света оптически плотным атомным ансамблем приводит к формированию спинового поляритона, объединяющего возмущения поляризации поля и спиновой когерентности среды. Показано, что динамика спинового поляритона, как и эффект задержки пробного светового импульса, обусловлена дисперсионными свойствами среды.

2. Исследована зависимость эффективности обмена квантовыми

состояниями между световой и атомной подсистемами от модового состава и типа отображаемых и восстанавливаемых состояний света. Найдено, что для сжатого, однофотонного и когерентного состояний света имеются специфические для каждого случая требования к модовому составу отображаемого светового импульса.

3. Определены оптимальные условия для переноса информации о различных квантовых состояниях светового импульса на спиновую подсистему атомной среды при комбинационном рассеянии света. В этих условиях для поляризационно-сжатого (эквивалентного сжатому), когерентного и однофотонного состояний света получена достоверность протокола квантовой памяти, превышающая предел достоверности, достижимый для измерительного протокола.

4. Показано, что сверхтонкое взаимодействие в возбужденном состоянии атома щелочного металла усиливает эффективность вынужденного комбинационного рассеяния и позволяет рассчитывать на более высокий уровень достоверности протокола квантовой памяти, чем предсказываемый в приближении лямбда-схемы. Это подтверждено численным расчетом, выполненным для атомов 133Сз, находящихся в магнито-оптнческий ловушке.

Научная новизна представленной работы состоит в следующем:

1. Анализ динамики световой и атомной подсистем, проведенный в рамках формализма эффективного гамильтониана, позволил получить аналитические выражения для операторов коллективных параметров системы в представлении Гейзенберга. Найденные зависимости полностью учитывают энергетическую структуру электронных состояний атомов щелочных металлов. Получены значения параметров эффективного гамильтониана, зависящие от сверхтонкого взаимодействия в атоме. Они отличаются от предсказания приближения Л-схемы, что представляется весьма существенным при описании динамики системы.

атомного ансамбля. Показано, что взаимодействие в различных спектральных модах приводит к различной эффективности квантового обмена состояниями этих мод.

3. Подробно рассмотрен протокол квантовой памяти в случае отображения и восстановления импульса поляризационно сжатого света (эквивалентного обычному сжатому свету), модовый состав которого сосредоточен в окрестности нулевой частоты и характеризуется конечной спектральной полосой. Проведена сравнительная оценка предельной достоверности классической и квантовой памяти для света в сжатом состоянии.

4. Проведен расчет структуры Аутлера-Таунса для атома щелочного металла с учетом влияния сверхтонкого взаимодействия. Показано, что интерференционные эффекты в системе сверхтонких подуровней возбужденного состояния существенным образом влияют на восприимчивость среды по отношению к пробному полю. В частности, исчезают идеальные условия, соответствующие резонансу электромагнитно-индуцированной прозрачности.

5. Обнаружены условия при которых наличие сверхтонкой структуры приводит к существенному усилению эффективности когерентного стимулированного комбинационного рассеяния пробного излучения атомной средой, находящейся под воздействием сильного управляющего поля. Показано, что в этих условиях повышается также и предельная эффективность протокола квантовой памяти для когерентного и однофотонного состояний пробного света.

рассматривать как элементарный акт взаимодействия и рассеяния света квантовой системой, так н строить макроскопические уравнения, описывающие процесс нелинейного взаимодействия света со средой. Важным для оценки достоверности представленной работы является сочетание независимых методов: решения задачи о распространении света через вещество на квантово-электродинамическом уровне с использованием формализма Гейзенберга и самосогласованного описания усредненного поля с помощью аппарата функций Грина и уравнений Максвелла. Часть представленных результатов имеет экспериментальное подтверждение.

Общефизическая и практическая значимость работы. Проведенный в диссертации анализ процесса комбинационного рассеяния как механизма когерентного контроля квантового состояния света и спиновой подсистемы атомов интересен, как нам представляется, с точки зрения разработки новых типов квантовых логических устройств. Востребованность в новых надежных физических схемах для проведения квантовых вычислений, создания систем связи и безопасности существует и к ним предъявляются все более высокие требования. В диссертации показано, что на основе механизма обмена квантовыми состояниями может быть создано высокоэффективное квантовое запоминающее устройство, выполняющее функции принципиально недостижимые для классического измерительного протокола. Предложенная схема также может оказаться полезной при разработке однофотонного источника света, в котором момент вылета элементарной порции квантового излучения (фотона) контролировался бы как во времени так и в пространстве.

Апробация работы. По материалам диссертации выполнены доклады на следующих конференциях и научных семинарах: Международной школе-семинаре по фундаментальной физике для молодых ученых "Квантовые измерения; и физика мезоскопических систем "КИФМС-2005" (Суздаль-Владимир, Россия, 2005 г.); NATO Advanced Research Workshop "Quantum information processing from theory to experiment" (Хания, о.

Крит, Греция, 2005 г.); Международных конференциях по квантовой и нелинейной оптике ICONO-2004, ICONO/LAT-2005 и ICONO/LAT-2007 (Минск, Беларусь, 2004 г., СПб, Россия, 2005 г. и Минск, Беларусь, 2007 г.); IV-ом и V-ом семинарах по квантовой оптике, посвященных памяти Д.Н. Клышко (Москва, Россия, 2005, 2007 г.г.); Continuous Variable Quantum Information Workshop (Копенгаген, Дания, 2006 г.); ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics within the framework of IV International Optical Congress "Optics - XXI Century" (СПб, Россия, 2006 г.); QUROPE Winter School on Quantum Information (Обэгугль, Австрия, 2007 г.); XII International Conference on Quantum Optics and Quantum Information (Вильнюс, Литва, 2008 г.); VII-ой Международной конференции "Лазерная физика и оптические технологии" ЛФиОТ-2008 (Минск, Беларусь, 2008 г.); а так же на семинарах кафедры "Теоретическая физика" СПбГПУ, городских межинститутских семинарах по квантовой оптике при РГПУ им. А.И. Герцена, семинарах национального центра по квантовой оптике института Нильса Бора (Копенгаген, Дания), и семинарах лаборатории узкополосной и атомной оптики в институте фотонных исследований ICFO (Барселона, Испания).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений на 9-и страницах. Полный объем диссертации составляет 109 страниц, в том числе 18 рисунков и список литературы (81 ссылка) на 8-и страницах. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1]—[7].

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность и научная новизна проделанной работы, представлены цели исследования, выделены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава "Квантовая память для состояний света" посвящена обсуждению важности разработки систем квантовой памяти для света. Подчеркивается её принципиальное преимущество перед классическим аналогом, основанным на процедуре измерения интересующих свойств излучения и попытке восстановления света в состоянии

максимально приближенном к исходному. Основной задачей данной главы является анализ пределов достоверности (fidelity) F классической памяти для света в различных квантовых состояниях, что важно для обсуждения проблемы измерения в квантовой теории и необходимо для дальнейшей оценки качества протокола квантовой памяти.

В качестве примеров, рассматриваются три типа состояний: когерентное состояние света с произвольным средним значением комплексной амплитуды поля, однофотонное состояние с неизвестной поляризацией, и сжатое состояние света. Измерительный протокол записи и воспроизведения состояний первых двух типов характеризуется известными пределами достоверности Fciass = 50% для когерентного и Few = 66.6% для однофотонного соответственно. Для третьего случая в работе предложен способ оценки предельной точности измерения, основанный на получении корреляционных функций напряженности электроманитного поля второго порядка. В измерительной процедуре, основанной на принципе балансного гомодинного приема, возникают жесткие требования, предъявляемые ко времени детектирования сигнала Т и его отношению ко времени корреляции тс исследуемого излучения. Существование времени корреляции тс обусловлено динамикой квантовых корреляций, возникающих в процессе приготовления сжатого света (при спонтанном параметрическом рассеянии), а его величина обратно пропорциональна ширине спектра сжатого излучения. Соотношение между временами Т и тс критическим образом влияет на максимально допустимую точность определения базиса "сжатой" и "разжатой" квадратур в схеме балансного гомодинного измерения и, как следствие, определяет предельную достоверность измерительного протокола памяти. В диссертации получена следующая оценка для достоверности измерительного протокола записи и воспроизведения сжатого излучения:

Из приведенного результата, полученного в работе [3], следует, что более высокого уровня достоверности можно добиться в случае широкополосного

^Class «

< 1

(1)

сжатого излучения.

Вторая глава "Когерентное рассеяние света в формализме эффективного гамильтониана" посвящена описанию процесса рассеяния квазирезонансного излучения протяженным, и поляризованным по коллективному спиновому угловому моменту атомным ансамблем. В рассматриваемом приближении учитываются только дисперсионные свойства среды, а когерентный канал рассеяния света вперед обсуждается без учета потерь, обусловленных некогерентным рассеянием. Представленное обсуждение основано на формализме эффективного гамильтониана, что позволило построить систему динамических уравнений в картине Гейзенберга для операторов поляризационных моментов атомной среды и потоковых операторов Стокса для излучения.

Главной особенностью используемого формализма эффективного гамильтониана является возможность, оставаясь в рамках полностью квантового описания как для атомов так и для излучения, построить аналитические выражения для мезоскопически усредненных пространственно-временных распределений поляризационных операторов системы в представлении Гейзенберга. Другим важным достоинством развиваемого формализма является то, что он применим для любых атомов, в частности, для атомов щелочных металлов, имеющих сложную многоуровневую структуру. Учет сверхтонкого взаимодействия атомного ядра с валентным электроном привел к значительным количественным отличиям характеристик ряда эффектов, также существующих в рамках модельных двух- и трех- уровневых приближений. В частности, для щелочного атома с произвольным спиновым моментом рассчитаны спектрально чувствительные параметры гамильтониана, обуславливающие появление дополнительного светового сдвига атомных уровней, обеспеченного эффектом выстраивания в атоме. Также замечено, что из-за совместного участия во взаимодействии всех сверхтонких подуровней возбужденного состояния атома полученные параметры могут по разному проявлять себя в разных спектральных областях для зондирующего излучения. Тем самым создается возможность для управления соот-

ношением между отдельными частями гамильтониана и выявления наиболее оптимальных условий для осуществления различных квантовых информационных протоколов, что обсуждалось в работах [1]—[3].

Рассмотрены условия при которых построенные уравнения Гейзенберга могут быть решены и применены для описания процесса вынужденного комбинационного рассеяния, связанного с обменом квантовыми состояниями в световой и атомной подсистемах, что подробно обсуждалось в работах [4] и [5]. Построенная система динамических уравнений для операторов Гейзенберга атомной и световой подсистем описывает медленную, усредненную пространственно-временную динамику квантовых флуктуаций коллективного атомного спинового момента и поляризационных характеристик излучения при прохождении светом пространственно протяженной и оптически плотной (для резонансного излучения) атомной среды.

В третьей главе "Квантовая память для света в отсутствии канала потерь" процесс когерентного рассеянии излучения ансамблем многоуровневых атомов рассматривается в идеализированных условиях, полностью игнорирующих канал потерь, с целью обсуждения принципиальных возможностей предлагаемого протокола квантовой памяти.

Для описания возникающей в системе пространственно-временной динамики волнового типа предложен термин спиновый поляритон. Он отражает совместное развитие в световой и атомной подсистемах определенного коллективного возбуждения — квазичастицы, формирующейся из последовательного превращения коллективной спиновой когерентности в основном состоянии атомов в когерентные флуктуации параметров поляризации излучения. В идеальной ситуации волновые свойства подобного распространяющегося в системе возбуждения в условиях, связанных с процессом вынужденного комбинационного рассеяния, описываются полученным в работе [5] дисперсионным соотношением <5 = ^4/0. Здесь <5 обозначает волновое число, П — частоту в разложении поляритонной волны в базисе гармонических мод, а А (<0) — управляющий параметр, определяемый для одномерной модели: падающим

(а)

(Ь)

-иг

=■1

Рис. 1: Перекрывание вигнеровских распределений, соответствующих исходному состоянию света (эллипс неопределенности показан темно серой/синей сплошной линией) и восстановленному состоянию по измерительному протоколу (а) и по протоколу квантовой памяти (Ь). Области (эллипсы) неопределенности восстановленного излучения показаны светло-серой/зеленой сплошной линией. Для сравнения представлена область неопределенности вакуумного состояния (черный пунктир).

потоком фотонов в управляющей моде, параметром оптической плотности среды для резонансного излучения и компонентой выстраивания в тензоре атомной поляризуемости. Дисперсионная зависимость <5(П) позволила проанализировать свойства квантового обмена состояниями различных мод атомной и световой подсистем. Показано, что нелинейный характер дисперсионной кривой приводит к различным условиям оптимального протокола памяти для света в различных квантовых состояниях. Отметим, что дисперсионный закон распространения поляритонной волны на крыльях гиперболы приближенно совпадает с дисперсионной особенностью атомной среды, находящейся под воздействием сильного поля в условиях эффекта Аутлера-Таунса, по отношению к прохождению пробного излучения, действующего на связанном переходе. Интерпретация распространения слабой моды в среде, дисперсионные свойства которой обусловлены эффектом Аутлера-Таунса, проводится в следующей главе диссертации.

Исследованы условия при которых возможна организация эффективного протокола квантовой памяти для света, находящегося в поляризационно сжатом состоянии. Рассмотренный пример соответствует

излучению, характеризуемому конечной спектральной полосой, и согласуется с разобранным в первой главе примером протокола записи, основанного на измерении параметров состояния такого излучения. Показано, что оптимизация процесса записи и восстановления квантовых свойств излучения в данном случае требует как можно лучшего выполнения неравенства: 1 <С \А'\Т'Ь < \A\TL, где Ь — длина среды, Т — длительность стадии записи, а штрихованные величины относятся к параметрам, используемым на стадии восстановления квантовой копии излучения. Данное условие диктуется принципиальной возможностью восстановления свойств в области ограниченного спектрального диапазона излучения. Включение в процесс "лишних" мод, где квантовый обмен менее эффективен, чревато распределением имеющихся в полевой подсистеме квантовых корреляций между большим количеством мод и, как следствие понижению степени сжатия для каждой отдельной моды. На рисунке 1 схематически отображено перекрывание области неопределенности в фазовом пространстве входного и восстановленного излучения при использовании квантового и классического протокола памяти. Наглядно показано принципиальное преимущество квантового канала, для которого не возникает необходимости в определении положения эллипса сжатия относительно базиса квадратурных компонент, связанных с гомодпнным детектором.

В противоположность сжатому состоянию при хранении информации о комплексной амплитуде когерентного излучения спектральный диапазон восстановленного света не играет принципиального значения и оптимальные условия для протокола квантовой памяти принимают вид 1 <С |А|Т1/ < \А'\Т'Ь. Данное неравенство отражает основную особенность квантового обмена, эффективность которого растет с ростом коллективного управляющего параметра АТЬ. На рисунке 2 представлена эффективность т] = п°и*/пт, отражающая ослабление интенсивности квантового света в канале памяти. Здесь пш и пои* — среднее количество фотонов в исходном и в восстановленном излучении соответственно. Достоверность квантовой памяти выражается в данном случае через

Рис. 2: Эффективность протокола памяти ц для когерентного импульса излучения гауссовой формы с несущей частотой, отстроенной от резонанса Аутлера-Таунса на величину Л = 2-к/Т (а), Зтг/Т (Ь), А-к/Т (с), Ьтт/Т (с!). Горизонтальная плоскость на уровне 1/3 соответствует измерительному пределу.

эффективность квантового обмена как 1^иа1Й = 2?7/(г) + 1), что определяет границу г) = 1/3. превышение которой означает преодоление предельной достоверности классического протокола £с1аж1 = 1/2. Из приведенных зависимостей видно, что рассматриваемая реализация квантовой памяти имеет существенное преимущество над измерительным протоколом.

Четвертая глава "Протокол квантовой памяти с учетом канала потерь" посвящена рассмотрению задачи о распространении когерентного импульса пробного излучения в атомной среде, рассеивающих свет под действием сильной стимулирующей управляющей моды, т.е. в режиме вынужденного комбинационного рассеяния. Анализ проводился с учетом возможных потерь, обусловленных некогерентным рассеянием. Эта задача является примером проявления эффекта Аутлера-Таунса при взаимодействии атомного ансамбля одновременно с двумя световыми полями, пробным (возможно квантовым) и управляющим

(полностью классическим), действующими на связанных переходах. Наиболее естественным представляется использование полей в ортогональных поляризациях, например круговых, взаимодействующих с ансамблем атомов ориентированных по спиновому угловому моменту. Дисперсионные свойства среды по отношению к пробному полю в условиях, когда управляющее поле отстроено в крыло атомного резонанса, с высокой точностью описываются в рамках формализма эффективного гамильтониана, представленного во второй главе. Однако для проведения более точного расчета, необходимо также учесть потери излучения при некогерентном рассеянии.

В диссертации представлены результаты расчета восприимчивости среды по отношению к пробному полю, зондирующему ансамбль атомов щелочного металла в окрестности Г^-линии, при условии что атомные состояния "одеты" взаимодействием с управляющим полем. Расчет выполнен с помощью метода диаграммной техники Константанова-Переля-Келдыша для неравновесных систем, и результаты расчета сравниваются с более простым и часто используемым приближением Л-схемы, игнорирующим наличие в атоме сверхтонкого взаимодействия. Обнаружено, в частности, что ввиду участия во взаимодействии двух сверхтонких подуровней возбужденного состояния атома исчезают идеальные условия для наблюдения эффекта электромангитно-индуцированной прозрачности, существующие в приближении Л-схемы. В крыле £>1-лишш наблюдается ослабление эффективности квантового обмена между пробным излучением и атомным ансамблем по сравнению с предсказаниями приближения Л-схемы. Однако эффективность подобного обмена усиливается, если комбинационное рассеяние соответствует настройке частот управляющего и пробного полей между сверхтонкими подуровнями.

Для оценки влияния потерь на эффективность протокола квантовой памяти и сравнения с предсказаниями, полученными в приближении Л-схемы, в диссертации исследована динамика импульса света в когерентном состоянии при прохождении атомной среды, находящейся под воздействием монохроматического стационарного управляющего

Рис. 3: Динамика пробных импульсов, распространяющихся в оптически плотной атомной среде с кооперативным параметром n0(X/2n)2L = 25. Входной профиль показан черной кривой, а профиль выходного импульса меняется в зависимости от отстройки его несущей частоты от резонанса Аутлера-Таунса. Пунктиром нанесены результаты расчета, игнорирующего потери, при значении управляющего параметра ALT = -23.8. На вставке показано положение спектрального профиля пробного импульса гауссовой формы длительностью Т = Ю7-1 при отстройке его несущей частоты от резонанса Аутлера-Таунса <5 = 2.1л-/Г, З.Зк/Т (соответственно светло серая/зеленая, и темно серая/синяя кривые). Представленные вещественная (черная пунктирная кривая) и мнимая (черная сплошная кривая) части восприимчивости среды соответствуют настройке частоты управляющей моды между сверхтонкими подуровнями возбужденного состояния атома и значению частоты Раби Пс = 157.

поля. На рисунке 3 представлены результаты расчетов, проведенных для ансамбля атомов 133Cs, находящегося в магнито-оптической ловушке при температуре ниже доплеровского предела охлаждения, и характеризующегося кооперативным параметром (оптической плотностью среды) щ(Х/2ж)2Ь=25, где щ — концентрация атомов, а Л — длина волны излучения. Частота Раби управляющего поля, введенная по отношению к переходу между верхним сверхтопким подуровнем основного состояния и нижним сверхтонким подуровнем возбужденного состояния атома равна fic = 167, где 7 — скорость спонтанного распада возбужденного состояния атома 2 Pi/2- Полученные результаты позволяют сделать вывод, что развитый выше формализм эффективного гамильтониана достаточно хорошо отражает дисперсионные свойства среды и правильно

передаст динамику импульса в условиях, когда потери обусловленные некогерентным рассеянием незначительны и составляют порядка 10 %. Другим важным результатом является то, что при экспериментально достижимых параметрах среды и управляющего поля при небольшом уровне потерь задержка пробного импульса может быть настолько значительной, что это позволяет осуществить протокол квантовой памяти с достоверностью превышающей измерительный предел.

Отметим, что осуществление полноценного протокола квантовой памяти для состояния пробного света предполагает выключение управляющего поля в момент окончания пробного импульса и его повторное включение с контролируемой задержкой. Включение и выключение управляющего поля будут сопровождаться переходными процессами, приводящими к дополнительной потери энергии пробного импульса. В работе [6], материалы которой не вошли в диссертацию в полном объеме, проведен расчет переходных процессов в приближении Л-схемы и показано, что эти потери незначительны. Однако сама структура импульса может существенным образом поменяться вследствие осцилляций Раби, которые предсказываются в теории и наблюдались в эксперименте. Корректное описание переходных процессов в многоуровневых задачах, оптимизация формы импульса, а также учет движения атомов в оптической ловушке являются важными задачами для дальнейших исследований.

В заключении к диссертации приводятся основные результаты достигнутые в ходе работы, составляющие основу положений выносимых на защиту.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

Основное содержание и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

[1] D. V. Kupriyanov, O.S. Mishina, I.M. Sokolov, В. Julsgaard, E.S. Polzik Multimode entanglement of light and atomic ensembles via off-resonant coherent forward scattering.- Phys. Rev. A..- 2005.-V. 77.- P. 032348.

[2] O.S. Mishina, D.V. Kupriyanov, E.S. Polzik Macroscopic quantum information channel via the polarization-sensitive interaction between the light and spin subsystems: NATO Advanced Research Workshop Quantum information processing from theory to experiment, May, Crete, 2005 // Proceedings-2006,- V. 199.- P. 346.

[3] O.C. Мишина, Д.В. Куприянов, И.M. Соколов, В. Julsgaard, E.S. Polzik Перепутывание световых и спиновых волн при когерентном рассеянии света вперед ансамблем ориентированных атомов.- Известия РАН.- 2006.- №3.- Т. 70.- с. 407.

[4] Oksana S. Mishina, Dmitriy V. Kupriyanov Quantum Memory via Coherent Scattering of Light by Optically Thick Atomic Medium // Quantum Communication and Security: Conf. pres. of NATO Science for Peace and Security Series, D: Information and Communication Security.- Amsterdam: IOS Press, 2007.- V. 11.- P. 155.

[5] O.S. Mishina, D.V. Kupriyanov, J.H. Muller, E.S. Polzik Spectral theory of quantum memory and entanglement via Raman scattering of light by an atomic ensemble.- Phys. Rev. A..- 2007.- V. 75.- P. 042326.

[6] O.S. Mishina, N.V. Larionov, A.S. Sheremet, I.M. Sokolov, D. V. Kupriyanov Stimulated Raman process in a scattering medium in application to quantum memory scheme.- Phys. Rev. A..- 2008.-V. 78.- P. 042313.

[7] O.C. Мишина, H.В. Ларионов, А.С. Шеремет, Д.В. Куприянов Атомная память для света на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния света // Лазерная физика и оптические технологии: Сборник научных трудов международной конф..- Минск: ООО тип-ия Макарова и Ко., 2008.- т. 3.- с. 86.

Личный вклад автора. Основные результаты, представленные в диссертации получены автором лично; выбор общего направления исследования, обсуждение и постановка рассматриваемых задач осуществлялись совместно с научным руководителем.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 25.12.2008. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100. Заказ 272.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Мишина, Оксана Сергеевна

Введение

1 Квантовая память для состояний света

1.1 Необходимость систем квантовой памяти.

1.2 Пределы "классического" протокола записи и воспроизведения квантового состояния

2 Когерентное рассеяние света в формализме эффективного гамильтониана

2.1 Описание совместной динамики света и атомов.

2.2 Связь эффективного гамильтониана с коллективными переменными.34,

2.3 Динамические уравнения.

3 Квантовая память для света в отсутствии канала потерь

3.1 Решение системы динамических уравнений.

3.2 Структура спиновых поляритонных волн при прохождении светом протяженной атомной среды.

3.3 Запись и восстановление импульса света в поляризационно сжатом состояния

3.4 Запись и восстановление когерентного импульса света.

4 Протокол квантовой памяти с учетом канала потерь

4.1 Восприимчивость среды, взаимодействующей с управляющим и пробным полями.

4.2 Восприимчивость среды при различных отстройках частоты управляющего поля от атомного резонанса.

4.3 Эффект задержки пробного импульса при комбинационном рассеянии в атомной среде под действием сильного управляющего поля.

Введение диссертация по физике, на тему "Многомодовый квантовый обмен между световой и атомной подсистемами при комбинационном рассеянии света"

Актуальность. Квантовая природа взаимодействия света с атомами является одной из центральных проблем теоретических и экспериментальных исследований с момента зарождения квантовой теории [1]—[5]. Достигнутые на протяжении последних десятилетий результаты значительно расширили возможности существовавших ранее приложений в области атомной и молекулярной спектроскопии высокого разрешения [б, 7, 8]. Принципиально новые возможности открылись для решения проблемы понижения шумов фотодетектирования, особенно актуальных в задачах магнитометрии и стандартизации частот [7]—[10]. Революционные изменения затронули и сравнительно новую область физики — квантовую оптику — где сформировалось новое и стремительно развивающееся направление, известное как физика квантовой информации. Данное направление включает в себя такие приложения как квантовые вычисления, квантовая криптография, а так же квантовые коммуникации и информационные сети [11]—[15]. Эти названия подсказывают нам, что они ориентированы на решение задач, поставленных перед соименными классическими направлениями, но принципиально другим способом, базирующимся на центральном аспекте квантовой теории — предположении об отсутствии в сущностной природе квантовых систем классического детерминизма. Данное обстоятельство было впервые сформулировано Гейзенбергом в виде принципа неопределенности [16].

Системы, поддающиеся квантовому описанию, могут находиться в состояниях, не имеющих аналога в рамках классических представлений о статистической неопределенности и трактовки понятия вероятности.

Использование специфических квантовых состояний материальных объектов, даёт возможность организовать принципиально новые протоколы, такие, например, как квантовая телепорация [17], но одновременно требует и выяснения вопроса о физической реализуемости протокола. Как следствие возникает новый круг задач об изучении возможных неклассических состояний различных физических систем, способов их приготовления и контроля, что является предметом активных обсуждений в литературе [18]—[21]. Впечатляющий прогресс в технике оптического эксперимента и стремительный прогресс теоретических исследований в области квантовой оптики, изучающей взаимодействие в оптическом диапазоне электромагнитного излучения с веществом, позволяет выделить следующую схему. Можно рассматривать свет как идеальный носитель информации, и атомы, как отдельные так и объединенные в многочастичные ансамбли, как удобные ячейки для её хранения и обработки.

В представленной диссертации нас будут интересовать макроскопические, неупорядоченные, пространственно протяженные атомные ансамбли, приготовленные в когерентном состоянии посредством оптической накачки, приводящей к поляризации их внутреннего спинового углового момента. Определенным достоинством подобных систем является богатый экспериментальный опыт работы с ними [22] и относительная простота приготовления и возможность добиться высокой эффективности взаимодействия в когерентном канале благодаря наличию в системе большого числа частиц. Значительный прогресс техники эксперимента по созданию атомных ловушек [23], позволяющих удерживать атомы в виде облака практически неподвижных частиц в условиях близких к идеальному газу, открывает хорошие перспективы для реализации различных квантовых информационных протоколов. В представленной диссертации рассматриваются особенности и оцениваются возможности подобных систем для реализации квантовых логических операций, имеющих большое значение для квантово-информационных задач. Важным примером, исследованным в представленной работе, является квантовая память, физическая идея которой основана на когерентном контроле обмена квантовыми состояниями между атомной и полевой подсистемами. Также рассматриваемая система при определённых условиях может являться необходимым ресурсом для реализации протокола квантовой телепортации между объектами различной физической природы: электромагнитным полем и атомной средой [24].

Широкий спектр возможностей, открывающийся в процессе взаимодействия света с атомной средой, в значительной степени определяется наличием у атома богатой внутренней энергетической структуры. Важным для нас является существование сверхтонкой структуры, появляющейся вследствие взаимодействия между спиновыми моментами электронов атома и его ядра. Наличие сверхтонкой структуры создает и определенную сложность, связанную с необходимостью учета всех атомных подуровней, принимающих участие во взаимодействии, для корректного прогнозирования развития системы. С целью упрощения расчетов, рядом авторов используется подход в котором рассматривается модельный двухуровневый атом со спином 1/2, ограничивающий изменение поляризации света при когерентном рассеянии эффектом Фарадея [25]. Другим примером является атом со спином 1, допускающий возбуждение А-типа, тем самым расширяющий канал поляризационных взаимодействий до всех возможными эффектов оптической анизотропии [21]. Подобные приближения являются удобными для теории и позволили описать большое количество известных оптических эффектов, применяемых для реализации квантовых протоколов. Примером является использование для протокола квантовой памяти эффекта электромагнитной индуцированной прозрачности [26] и вынужденного комбинационного рассеяния света [27]. В реальности же, учет сложной многоуровневой структуры атома с произвольным спином помимо количественных поправок приводит также к ряду дополнительных явлений ввиду интерференции различных каналов, участвующих во взаимодействии.

Цельюнастоящей работы является создание многомодового протокола квантовой памяти при комбинационном рассеянии излучения оптически плотной атомной средой в стимулированном и когерентном режиме. В ходе работы, описанной в диссертации, осуществлено следующее:

1. Проанализирована предельная точность классических протоколов памяти, основанных на измерении квантовых состояний света: однофотонного, когерентного и сжатого.

2. Построены динамические уравнения для операторов Гейзенберга, описывающих эволюцию коллективных параметров атомной и полевой подсистем, при когерентном рассеянии вперед квазирезонансного излучения оптически плотным ансамблем атомов в отсутствии потерь.

3. В данной идеализированной модели исследованы особенности многомодового обмена состояниями между спиновой и световой подсистемами. В качестве примера, разобран протокол квантовой памяти для отображения и восстановления импульса света в сжатом либо когерентном состоянии.

4. Вычислена восприимчивость среды, состоящей из атомов щелочного металла, находящихся под воздействием сильного управляющего поля, к пробному нолю, действующему на связанном переходе. В данном варианте известного эффекта Аутлера-Таунса нами учтено влияние сверхтонкого взаимодействия, что необходимо для корректного описания динамики пробного импульса в оптически плотной атомной среде.

5. Проведен расчет динамики пробного импульса, распространяющегося через среду, состоящую из атомов щелочных металлов, в условиях вынужденного комбинационного рассеяния. Исследован эффект задержки и учтено влияние потерь вследствие некогерентного рассеяния.

Достоверность и научная обоснованность результатов и выводов диссертации основаны на использовании современного аппарата теоретической и математической физики. Взаимодействие света с атомной средой рассматривается на основе квантовой электродинамики в полном соответствии с представлениями и требованиями современной квантовой оптики. В определенной степени новым для оптических приложений является использование в работе методов неравновесной диаграммной техники Келдыша [28], позволяющей как эффективно рассматривать элементарный акт взаимодействия и рассеяния света квантовой системой, так и строить макроскопические уравнения, описывающие процесс нелинейного взаимодействия света со средой. Важным для оценки достоверности представленной работы является сочетание независимых методов: решения задачи о распространении света через вещество на квантово-электродинамическом уровне с использованием формализма Гейзенберга и самосогласованного описания усредненного поля с помощью аппарата функций Грина и уравнений Максвелла. Часть представленных результатов имеет экспериментальное подтверждение.

Основные положения, выносимые на защиту:

2. Найдено, что эффективность обмена квантовыми состояниями световой и атомной подсистем зависит от модового состава и типа отображаемых состояний. Обнаружено, что для сжатого, однофотонного и когерентного состояний света имеются специфические для каждого состояния требования к модовому составу отображаемого светового импульса.

3. Установлены оптимальные условия для переноса информации о различных квантовых состояниях светового импульса на поляризационную подсистему атомной среды при комбинационном рассеяния света. В этих условиях для поляризационно сжатого (эквивалентного сжатому), когерентного и однофотонного состояния света получена достоверность протокола квантовой памяти, превышающая предел достоверности, доступный для измерительного протокола.

4. Показано, что сверхтонкое взаимодействие в возбужденном состоянии атома щелочного металла усиливает эффективность вынужденного комбинационного рассеяния и позволяет рассчитывать на более высокий уровень достоверности протокола квантовой памяти, чем предсказанный в приближении лямбда-схемы. Это подтверждено численным расчетом, выполненным для атомов шСз находящихся в магнито-оптический ловушке.

Научная новизна представленной работы, по нашему мнению, состоит в следующем:

1. Анализ динамики световой и атомной подсистем, проведенный в рамках формализма эффективного гамильтониана, позволил получить аналитические выражения для операторов коллективных параметров системы в представлении Гейзенберга. Найденные зависимости полностью учитывают энергетическую структуру электронных состояний атомов щелочных металлов. Получены значения параметров эффективного гамильтониана, зависящие от сверхтонкого взаимодействия в атоме. Они отличаются от предсказания приближения А-схемы, что представляется весьма существенным при описании динамики системы.

2. Проведен детальный анализ совместной поляритонной динамики операторов Стокса для поляризационной подсистемы излучения и операторов коллективного углового момента для спиновой подсистемы атомного ансамбля. Показано, что взаимодействие в различных спектральных модах приводит к различной эффективности квантового обмена состояниями этих мод.

4. Проведен расчет структуры Аутлера-Таунса с учетом влияния сверхтонкого взаимодействия. Показано, что интерференционные эффекты в системе сверхтонких подуровней возбужденного состояния существенным образом влияют на восприимчивость среды по отношению к пробному полю. В частности, исчезают идеальные условия, соответствующие резонансу электромагнитно-индуцированной прозрачности.

Общефизическая и практическая значимость работы вытекает из важности проблемы квантовой информации в целом. Фантастический прогресс в технике оптического эксперимента, совершенный в последние десятилетия, продемонстрировал новые возможности проверки и практического применения фундаментальных и глубоко интригующих положений квантовой теории, сжато сформулированных в принципе неопределенности Гейзенберга. Это, по существу, и привело к возникновению нового направления — физики квантовой информации, развивающейся в настоящее время в стремительно восходящем тренде. К истокам этого направления можно отнести ранние исследования энтузиастов: оригинальное предложение идеи квантового компьютера американским физиком Ричардом Фейнманом [29], и предшествующие ему общефизические обсуждения квантовых пределов для информационных каналов в работах американского математика Клода Шеннона [30] и советских математиков Руслана Стратоновича [31] и Александра Холево [13]. К настоящему времени, понимание важности проблемы еще более возросло, и появился ряд экспериментов, демонстрирующих возможность телепортации состояний, отображения состояний в разных физических системах (квантовая память) и осуществления элементарных квантовых логических операций [21]. Это направление, вовлекающее все большее количество исследователей из разных областей физики, имеет принципиальное значение для выявления предельного знания, которое мы можем получить о состоянии как микроскопического, так и макроскопического объекта в процессе взаимодействия с ним. Этот вопрос, в свою очередь, теснейшим образом связан с выяснением физических пределов в управлении, как микро, так и макрообъектами с помощью современных микро и нанотехнологий.

Существует определенный прагматический интерес к проблеме квантовой информации, сформировавшийся сравнительно недавно благодаря достижениям последних десятилетий в лазерной физике и в квантовой оптике. Речь идет о возможности создания полностью защищенных изолированных компьютерных сетей в пределах расстояний доступных современной волоконной оптике. Разработка подобных систем интенсивно развивается в мире и отчасти является уже коммерческим проектом [32]. Имеются серьезные, но преодолимые технические трудности в расширении радиуса действия квантовых компьютерных сетей. В настоящее время эта проблема интенсивно обсуждается теоретически в плане выбора оптимальных протоколов для проведения демонстрационных экспериментов. Имеются обоснованные надежды, что необходимые для ее практического решения квантовые повторители (аналоги классических оптических усилителей) будут разработаны уже в ближайшие десятилетия. Обратим также внимание на то, что, с принципиальной физической точки зрения, для современных компьютерных сетей, требующих постоянного увеличения объемов обрабатываемых информационных потоков, по-видимому, в перспективе нет другой альтернативы, кроме как осуществление и использование квантовых информационных протоколов. В связи с этим, исследования в этой области имеют фундаментальное значение для будущего микроэлектроники и прикладных направлений в оптике.

Проведенный анализ когерентного контроля квантового состояния света и спиновой подсистемы атомов приведет, как мы считаем, к появлению новых способов практической реализации квантовых логических устройств, необходимых для проведения квантовых вычислений, и создания систем связи и безопасности. В частности, нами показано, что на основе механизма обмена квантовыми состояниями может быть создано высокоэффективное квантовое запоминающее устройство, выполняющее функции принципиально недостижимые для классического измерительного протокола. Предложенная схема также может оказаться полезной при разработке однофотонного источника света, в котором момент вылета элементарной порции квантового излучения (фотона) контролировался бы как во времени так и в пространстве.

Апробация работы. По материалам диссертации выполнены доклады на следующих конференциях и научных семинарах:

• Международной школе-семинаре по фундаментальной физике для молодых ученых "Квантовые измерения и физика мезоскопических систем "КИФМС-2005" (Суздаль-Владимир, Россия, 2005 г.);

• NATO Advanced Research Workshop "Quantum information processing from theory to experiment" (Хания, о. Крит, Греция, 2005 г.);

• Международных конференциях по квантовой и нелинейной оптике ICONO-2004, ICONO/LAT-2005 и ICONO/LAT-2007(Mhhck, Беларусь, 2004 г., СПб, Россия, 2005 г. и Минск, Беларусь, 2007 г.)

• IV-ом и V-ом семинарах по квантовой оптике, посвященных памяти Д.Н. Клышко (Москва, Россия, 2005, 2007 г.г.);

• Continuous Variable Quantum Information Workshop (Копенгаген, Дания,

2006 г.)

• ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics within the framework of IV International Optical Congress "Optics - XXI Century" (СПб, Россия, 2006 г.)

• QUROPE Winter School on Quantum Information (Обэгугль, Австрия,

2007 г.)

• XII International Conference on Quantum Optics and Quantum Information (Вильнюс, Литва, 2008 г.);

• VII-ой Международной конференции "Лазерная физика и оптические технологии" ЛФиОТ-2008 (Минск, Беларусь, 2008 г.);

• а так же на семинарах кафедры "Теоретическиа физика" СПбГПУ, на городском межинститутском семинаре по квантовой оптике при РГПУ им. А.И. Герцена, на семинаре национального центра по квантовой оптике института Нильса Бора (Копенгаген, Дания), на семинаре лаборатории узкополосной и атомной оптики в институте фотонных исследований ICFO (Барселона, Испания).

Основное содержание и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1] D. V. Kupriyanov, O.S. Mishina, I.M. Sokolov, В. Julsgaard, E.S. Polzik Multimode entanglement of light and atomic ensembles via off-resonant coherent forward scattering.- Phys. Rev. A.- 2005.- V. 77.- P. 032348.

2] O.S. Mishina, D.V. Kupriyanov, E.S. Polzik Macroscopic quantum information channel via the polarization-sensitive interaction between the light and spin subsystems: NATO Advanced Research Workshop Quantum information processing from theory to experiment, May, Crete, 2005 // Proceedings - 2006.- V. 199.-P. 346.

3] O.C. Мишина, Д.В. Куприянов, И.М. Соколов, В. Julsgaard, E.S. Polzik Перепутывание световых и спиновых волн при когерентном рассеянии света вперед ансамблем ориентированных атомов.- Известия РАН.- 2006.- №3.- Т. 70.- с. 407.

4] Oksana S. Mishina, Dmitriy V. Kupriyanov Quantum Memory via Coherent Scattering of Light by Optically Thick Atomic Medium // Quantum Communication and Security: Conf. pres. of NATO Science for Peace and Security Series, D: Information and Communication Security.- Amsterdam: IOS Press, 2007,- V. 11.- P. 155.

5] O.S. Mishina, D. V. Kupriyanov, J.H. Muller, E.S. Polzik Spectral theory of quantum memory and entanglement via Raman scattering of light by an atomic ensemble.- Phys. Rev. A.- 2007.- V. 75,- P. 042326.

6] O.S. Mishina, N.V. Larionov, A.S. Sheremet, I.M. Sokolov, D.V. Kupriyanov Stimulated Raman process in a scattering medium in application to quantum memory scheme.- Phys. Rev. A.- 2008,- V. 78.- P. 042313.

7] O.C. Мишина, H. В. Ларионов, А. С. Шеремет, Д.В. Куприянов Атомная память для света на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния света // Лазерная физика и оптические технологии: Сборник научных трудов международной конф.- Минск: ООО тип-ия Макарова и Ко., 2008.- т. 3.- с. 86.

Заключение диссертации по теме "Теоретическая физика"

Заключение

В заключение отметим основные результаты, полученные в диссертации.

1. В диссертации построены динамические уравнения для операторов Гейзенберга, описывающих эволюцию макроскопических поляризационных переменных атомной и полевой подсистем при когерентном распространении света вперед в полосе прозрачности оптически плотного (для резонансного излучения) атомного ансамбля. Вычислены необходимые спектральные характеристики, определяющие структуру эффективного гамильтониана, так, что найденные решения уравнений Гейзенберга для поляризационных переменных этих подсистем полностью учитывают сложную энергетическую структуру сверхтонких электронных подуровней атомов щелочных металлов. Получены результаты существенным образом отличаются от предсказаний более простого приближения Л-схемы, что, безусловно, важно для правильного описания динамики системы.

2. Исследованы особенности обмена квантовыми состояниями между спиновой и световой подсистемами, с учетом их многомодовой структуры и в отсутствии каналов потерь. Исследованы особенности совместной поляритонной динамики излучения и спиновой подсистемы атомного ансамбля в случае процесса вынужденного комбинационного рассеяния. Показано, что взаимодействие в различных спектральных модах приводит к различной эффективности квантового обмена состояниями этих мод. Данная особенность отражает принципиальную важность учета многомодовой динамики при организации и повышении эффективности протокола квантовой памяти для квантовых состояний света различного типа.

3. Проанализированы протоколы квантовой памяти для импульсов света в различных квантовых состояниях: в поляризационно сжатом (эквивалентном сжатому), когерентном и однофотонном. Показано, что оптимальные условия для отображения состояний когерентного света и сжатого света с конечной полосой спектра сжатия различны и определяются особенностями многомодовой динамики возникающего квантового обмена. Предложена оценка достоверности "классической" схемы памяти в случае восстановления состояния поляризационно сжатого света на основе измерения корреляционных функций поля второго порядка. Показано, что достоверность определятся как спектральной шириной сжатого света так и длительностью измерения.

4. Проведен расчет эффекта Аутлера-Таунса в системе сверхтонких подуровней 0\-шшш1 щелочного атома с учетом влияния сверхтонкого взаимодействия. Показано, что сверхтонкое взаимодействие существенным образом влияет на восприимчивость среды по отношению к пробному полю. Эффект стимулированного комбинационного рассеяния в ортогональных поляризационных модах ослабевает в крыльях Х^-линии по сравнению с предсказаниями приближения А-схемы. Обнаружено также, что исчезают идеальные условия, соответствующие резонансу электромагнитно-индуцированной прозрачности.

5. Обнаружены также условия при которых сверхтонкое взаимодействие приводит и к существенному усилению эффективности когерентного стимулированного комбинационного рассеяния пробного света атомной средой, находящейся под воздействием сильного управляющего поля. Выигрышными оказываются условия зондирования среды в спектральном промежутке между сверхтонкими подуровнями возбужденного состояния. Для этого случая выполнены количественные оценки эффективности протокола памяти в схеме комбинационного рассеяния ансамблем атомов цезия с учетом канала потерь, обусловленного некогерентным рассеянием.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Мишина, Оксана Сергеевна, Санкт-Петербург

1. G. Placzek Rayleigh-Streuung und Raman Effekt.— Akademische Velagsge-sellschaft M.B.H., Leipzig, 1934,- 203-375 c.

2. А. Митчел, M. Земанский Резонансное излучение и возбужденные атомы.- М.: ОНТИ, 1937,- 285 С.

3. Н. Бор Атомная физика и человеческое познание / Пер. с англ. В.А. Фока, A.B. Лермонтовой.-— Москва : Изд-во иностр. лит., 1961.— 151 с.

4. М. Борн Основы оптики.— 2-е изд., испр.— М. : Наука, 1973.— 719 с.

5. Claude Cohen-Tannoudji at. al Atom-photon Interactions: Basic Processes and Applications / Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc, Gilbert Grynberg.— 4th edition.— New York : Wiley, 1992,— 678 P.

6. Александров Е.Б., Запасский B.C. Лазерная магнитная спектроскопия.— M.: Наука, 1986.— 280 с.

7. Мандель Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика.— М.: Физматлит, 2000.— 895 с.

8. В. С. Летохов, В. Г1. Чеботаев Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения.— М.: Наука, 1990.— 551 с.

9. Перина Я. Квантовая статистика линейных и нелинейных оптических явлений.— М.: Мир, 1987 — 368 с.

10. Скалли М.О., Зубайри М.С. Квантовая оптика.— М.: Физматлит, 2003.— 510с.

11. Д. Бауместер и др. Физика квантовой инвормации: Квантовая криптография. Квантовая тедлепортация. Квантовые вычисления. / Д. Бауместер, А. Эккерт, А. Цайленгер.— перю с англ. С.П. Кулик, Е.А. Шапиро — Москва: Постмаркет, 2002.— 376 с.

12. Холево A.C. Вероятностные и статистические аспекты квантовой теории — М. : Наука, 1980 .— 320 с.

13. Холево A.C. Введение в квантовую теорию информации — Москва : МЦНМО, 2002 126 с.

14. Нильсен М.А., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация / Пер. с англ.- М.: Мир, 2006.— 824 с.

15. К.А. Валиев, A.A. Кокин Квантовые компьютеры: надежды и ре -аль-ность.— 2-е изд., испр.— Москва ; Ижевск : РХД, 2002.— 319 с.

16. Furusawa A., Soresen J.L., Braunstein S.L., Fuchs С.A., Kimble J.H., Polzik E.S. Unconditional Quantum Teleportation.— Science.— 1998.— V. 282,— P. 706

17. Samuel L. Braunstein and Peter van Loock Quantum information with continuous variables — Rev. Mod. Phys — 2005.— V. 77 — P. 513.

18. Pieter Kok, W. J. Munro, Kae Nemoto, Т. C. Ralph, Jonathan P. Dowling, and G. J. Milburn Linear optical quantum computing with photonic qubits.— Rev. Mod. Phys.- 2007.- V. 79.- P. 135

19. N. Сerf Quantum Information with continuous Variables of Atoms and Light / N. Cerf, G. Leuchs, E. Polzik.— New Jersy: World Scientific Publishing, 2007,- 632 P.

20. К. Hammerer, A.S. S0rensen, E.S. Polzik Quantum interface between light and atomic ensembles.— arXiv:0807.3358.

21. Happer W Optical Pumping.— Rev. Mod. Phys — 1972,— V.44.— P.169.

22. H. Metcalf, P. Straten Cooling and trapping on neutral atoms.— Phisics Reperts.— 1994,— V.244.- P. 203.

23. Jacob Sherson, Hanna Krauter, Rasmus K. Olsson, Brian Julsgard, Klemens Hammerer, Ignacio Cirac, Eugene S. Polzik Quantum teleportation between light and matter.- Nature.- 2006,- V. 443,- P. 557-560.

24. J. Sherson, B. Julsgaard, E.S. Polzik Deterministic atom-light quantum inter face Advances in Atomic Molecular and Optical Physics.— Advances in Atomic Molecular and Optical Physics — 2006.— V. 54 — p. 81

25. M. Fleischhauer, A. Imamoglu, and J. P. Marangos Electromagnetically induced transparency: Optics in coherent media.— Rev. Mod. Phys.— 2005.— V. 77.- P. 633

26. И.Л. Фабелинский Комбинационному рассеянию света 70 лет.— УФН, 1998.- Т. 168.- с. 1341

27. L. V. Keldysh Diagram technique for nonequilibrium processes.— Zh. Eksp. Teor. Fiz.- 1964.- V. 47,- P. 1515

28. R.P. Feynman Simulating physics with computers.— Int. J. Theor. Phys.— 1982,- V. 21 — No. 6/7.- P. 467

29. C.E. Shannon A Mathematical Theory of Communication.— Bell System Technical Journal.- 1948,- V. 27,- PP. 379-423, 623-656

30. P.JI. Стратонович Теория информации.— Москва: Сов. радио, 1975 .— 423 с.

31. H.J. Kimble The Quantum Internet.— Nature.- 2008.- V. 453.- P. 1023

32. R. Hanson, L.P. Kouwenhoven, J.R. Petta, S. Tarucha, L.M.K. Vander-sypen Spin in few-electron quantum dots — Rev. Mod. Phys.— 2007.— V. 79.— P.1217

33. Ph. Tamarat, T. Gaebel, J. R. Rabeau, M. Khan, A. D. Greentree, H. Wilson, L. G. Hollenberg, S. Prawer, P. Hemmer, F. Jelezko, and J. Wrachtrup Stark Shift Control of Single Optical Centers in Diamond.— Phys. Rev. Lett.— 2006.- V. 97,- P. 083002

34. Tatjana Wilk, Simon C. Webster, Axel Kuhn, Gerhard Rempe Single-Atom Single-Photon Quantum Interface.— Science.— 2007.— V. 317.— No. 5837.— p. 488

35. A. Steane The ion trap quantum information processor.— Appl. Phys. B.— 1997.- V. 64,- P. 623.

36. D. Leibfried, R. Blatt, C. Monroe, D. Wineland Quantum dynamics of single trapped ions.— Rev. Mod. Phys.— 2003 — V. 75 — P. 281

37. C. SantoriQnantnm optics: A brighter source of single photons.— Nature Photonics.- 2007.- V. 1.- P. 686

38. S. Trpkovski, L. Hollenberg, S. Prawer QUANTUM DEVICES: Diamond technology enables practicalsingle-photon sources.— Laser focuse world.— 2008.- V. 44,— Is. 11

39. V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, N. J. Cerf, M. Dusek, N. Lutken-haus, M. Peev The Security of Practical Quantum Key Distributio.— arxiv:0802.4155v2quant-ph].— 2008

40. A. Lamas-Linares, C. Kurtsiefer Breaking a quantum key distribution system through a timing side channel — 2007.— Optics Express.— V. 15.— Is. 15,- P. 9388

41. B. E. Kardynal, Z. L. Yuan, A. J. Shields An avalanche-photodiode-based photon-number-resolving detector.— Nature Photonics.— 2008.— V. 2,— P. 425

42. V. Markov Quantum cryptography and quantum cryptanalysis: Doctoral thesis.- Trondheim: NTNU-trykk, 2007,- 158 P.

43. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц Теоретическая физика: В 10 томах,— Т.4: Б.Б. Берестецкий, Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский.— 3-е издд, испр.— М.: Наука, 1989.- 723 с.

44. S. Massar and S. Popescu Quantum extraction ofinformation from finite quantum ensembles.— Phys. Rev. L — 1995.— V. 74,— P. 1259.

45. T. Holstein, H. Primakoff Field Dependence of the Intrinsic Domain Magnetization of a Ferromagnet.— Phys. Rev.— 1940 — V. 58.— P. 1098.

46. P. Глаубер Оптическая когерентность и статистика фотонов.— Квантовая оптика и радиофизика.— М.: Мир, 1966.— 189 с.

47. Samuel L. Braunstein, Christopher A. Fuchs and H. J. Kimble Criteria for continuous-variable quantum teleportation.— Journal of Modern Optics.— 2005.- V. 44,- P. 267.

48. K. Hammerer, M. M. Wolf, E. S. Polzik and J. I. Cirac Quantum Benchmark for Storage and Transmission of Coherent States .— Phys. Rev. L.— 2005.— V. 94,- P. 150503.

49. A. Furusawa, J. L. S0rensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, E. S. Polzik Unconditional Quantum Teleportation .— Sciemce.— 2005.— V. 282,- No. 5389,- P. 706.

50. L. Davidovich Sub-Poissonian processes in quantum optics.— Rev. Mod. Phys.- 1996.- V. 68,- P. 127

51. Д.Н. Клышко Фотоны и нелинейная оптика — М.: Наука, 1980.— 256 с.

52. А.Я. Казаков Двухфотонные системы Джэйнса-Каммингса, взаимодействующие с классическим полем,— ЖЭТФ.— 2001.— Т. 120.— В. 5 — с. 1172

53. Т. Golubeva, D. Ivanov, and Yu. Golubev Broadband squeezed light from phase-locked single-mode sub-Poissonian lasers — Phys. Rev. A.— 2008.— V. 77,- P. 052316

54. M.J. Collett, C.W. Gardiner Squeezing of intracavity and traveling-wave light fields produced in parametric amplification.— Phys. Rev. A.— 1984.— V. 30,- P. 1386

55. D.F. Wals, G.J. Milburn Quantum Optics.— Berlin Heiliberg New York.: Springer-Verlag, 1995.— 351 p.

56. Д.А. Варшалович Квантовая теория углового момента / Д.А. Варшало-вич, А.Н. Москалев, В.К. Херсонский.— Л.:Наука, 1975.— 439 с.

57. D.V. Kupriyanov, O.S. Mishina, l.M. Sokolov, В. Julsgaard, E.S. Polzik Multimode entanglement of light and atomic ensembles via off-resonant coherent forward scattering.- Phys. Rev. A.- 2005.— V. 77.- P. 032348.

58. O.S. Mishina, N.V. Larionov, A.S. Sheremet, l.M. Sokolov, D.V. Kupriyanov Stimulated Raman process in a scattering medium in application to quantum memory scheme.— Phys. Rev. A — 2008.— V. 78 — P. 042313

59. D. V. Kupriyanov, L M. Sokolov, P. Kulatunga, C. L Sukenik, and M. D. Havey Coherent backscattering of light in atomic systems: Application to weak localization in an ensemble of cold alkali-metal atoms.— Phys. Rev. A.- 2003,- V.67.— P. 013814.

60. T. Fernholz, H. Krauter, K. Jensen, J. F. Sherson, A. S. S0erensen, E. S. Polzik Spin squeezing of atomic ensembles via nuclear-electronic spin entanglement.— Phys. Rev— 2008 V. 101.- P. 073601 — quant-ph/0802.2876

61. Brian Julsgard, Jacob Sherson, J. Ignacio Cirac, Jaromir Fiurasek, Eugene S. Polzik Experimental Demonstration of quantum memory for light.— Nature.— 2004,- V. 432,- P. 482 486

62. J. Cviklinski, A. Dantan, J. Ortalo, and M. Pinard Conditional squeezing of an atomic alignment.— Phys. Rev. A.- 2007.- V.76 — P. 033830.

63. S. R. de Echaniz, M. Koschorreck, M. Napolitano, M. Kubasik, and M. W. Mitchell Hamiltonian design in atom-light interactions with rubidium ensembles: A quantum-information toolbox.— Phys. Rev. A.— 2008.— V. 77.— P. 032316

64. M. Fleischhauer and M. D. Lukin Dark-State Polaritons in Electromagneti-cally Induced Transparency.— Phys. Rev. Lett.— 2000.— V. 84,— P. 5094

65. A.E. Kozhekin, K. M0lmer, E.S. Polzik Quantum memory for light.— Phys. Rev. A.- 2000.- V.62 — P. 033809

66. O. S. Mishina, D. V. Kupriyanov, J. H. Muller, E. S. Polzik Spectral theory of quantum memory and entanglement via Raman scattering of light by an atomic ensemble.— Phys. Rev. A— 2007.— V.75 — P. 042326.

67. J. Nunn, I. A. Walmsley, M. G. Raymer, K. Surmacz, F. C. Waldermann, Z. Wang, and D. Jaksch Mapping broadband single-photon wave packets into an atomic memory — Phys. Rev. A — 2007.— V.75.— P. 011401.

68. Alexey V. Gorshkov, Axel Andre, Mikhail D. Lukin, and Anders S. S0rensen Photon storage in A-type optically dense atomic media. II. Free-space model.- Phys. Rev. A.- 2007.- V.76.- P. 033805.

69. Alexey V. Gorshkov, Tommaso Calarco, Mikhail D. Lukin, and Anders S. S0rensen Photon storage in A-type optically dense atomic media. IV. Optimal control using gradient ascent.— Phys. Rev. A.— 2008.— V.77.— P. 043806.

70. Irina Novikova, Nathaniel B. Phillips, and Alexey V. Gorshkov Optimal light storage with full pulse-shape control.— Phys. Rev. A.— 2008.— V.78.— P. 021802.

71. D.V. Kupriyanov, I.M. Sokolov // Спектроскопия флуктуаций интенсивности с использованием сжатого света.— ЖЭТФ,— 1996.— Т. 110.— В. 3.- С. 837.

72. M. G. Raymer, J. Mostowski Stimulated Raman scattering: Unified treatment of spontaneous initiation and spatial propagation.— Phys. Rev. A.— 1981.— V. 24.- P. 1980

73. M. G. Raymer, I. A. Walmsley, J. Mostowski, and B. Sobolewska Quantum theory of spatial and temporal coherence properties of stimulated Raman scattering .— Phys. Rev. A.- 1985.- V. 32,— P. 332

74. A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen Can Quantum-Mechanical description of physical reality be complete?.— Phys.Rev.— 1935.— V. 47.— P. 777

75. S.H. Antler, C.H. Townes Stark Effect in Rapidly Varying Fields.— Phys. Rev.- 1955,- V. 100.- P. 703

76. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц Теоретическая физика: В 10 томах.— Т. 10: Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский Теория поля.— 1-е изд.М: Наука, 1979.— 528 с.

77. K. S. Choi, H. Deng, J. Laurat, H. J. Kimble Nature Mapping photonic entanglement into and out of a quantum memory.— Nture.— 2008 — V. 452.— P. 67