Экспериментальное исследование спектральных свойств кристаллов, активированных редкоземельными элементами, и возможности реализации на их основе элементов устройств для квантовых вычислений и коммуникаций тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

БОНДАРЦЕВ Александр Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ, АКТИВИРОВАННЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, И ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ НА ИХ ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ И КОММУНИКАЦИЙ

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 6 СЕН 2013

Нижний Новгород - 2013

005533695

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ФГБУН ИПФ РАН, г. Нижний Новгород)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

зав. лаб. «Нелинейной спектроскопии» Ахмеджанов Ринат Абдулхаевич (ФГБУН ИПФ РАН, г. Нижний Новгород)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Малакян Юрий Паруйрович

(ИФИ HAH Армении, Армения, г. Аштарак)

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Антипов Олег Леонидович (ФГБУН ИПФ РАН, г. Нижний Новгород)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук (ФГБУН ИФМ РАН, г. Нижний Новгород)

Защита состоится «14» октября 2013 в -"¿"¿часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 при ФГБУН Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН), расположенном по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, д. 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН).

Автореферат разослан « /2- » сентября 2013

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Ю.В. Чугунов

бщая характеристика работы

Актуальность работы

Спектроскопические исследования диэлектрических кристаллов,' активиро-нных редкоземельными элементами, представляют большой интерес уже на отяжении более 60 лет. Это прежде всего связано с тем, что такие кристаллы ляются превосходными люминофорами, которые находят многочисленные при-нения [1], и активными средами для множества используемых твердотельных еров [2]. Среди них можно отметить ставшие уже классическими лазеры на исталлах Nd3+:YAG, а также лазеры на кристаллах Ncl3+:YV04, излучающие длине волны 1064 нм и используемые в мощных и компактных лазерных систе-х. Кристаллы, активированные эрбием (Ег), нашли широчайшее применение в локонных усилителях и микролазерах, используемых в телеметрии и телеком-никации. Кристаллы, активированные церием (Се), являются превосходными интилляционными детекторами рентгеновского и гамма-излучения [3, 4].

Указанные применения используют люминесцентные свойства отдельных, олированных друг от друга, редкоземельных ионов. Однако даже при концен-ациях порядка 1 % относительно замещаемого элемента, эти ионы не являются poro изолированными и взаимодействуют друг с другом за счет различных ти-в взаимодействий как напрямую, так и через ионы кристаллической решетки, о было обнаружено уже в самых ранних работах по оптической спектроскопии и электронному парамагнитному резонансу (ЭПР) [6]. Наличие этих взаимо-йствий открывает множество фундаментально новых и практически важных фектов и проявляется в тепловых, магнитных и оптических свойствах этих кри-аллов. На макроскопическом масштабе они приводят к аномалиям в удельной плоемкости при низких температурах (аномалия Шоттки), модификации маг-тной восприимчивости при высоких температурах и возникновению магнитного рядка при температурах ниже определенной критической для данного кристал-[7, 8]. На микроскопическом масштабе они ответственны за уширение и рас-епление энергетических уровней ионов [9, 10] и обмен энергией между ионами роцессы спин-спиновой и кросс-релаксации, спектральной диффузии, эффекты -конверсии) [11-13].

Для классических лазеров, например, наличие взаимодействий между актив-ми ионами приводит к такому нежелательному эффекту как концентрацион-е тушение люминесценции [14]. С другой стороны, процесс кросс-релаксации лает возможным создание эффективных лазеров с длиной волны генерации 2 м и накачкой на длине волны 790 нм на кристаллах, активированных ионаг-тулия [2]. Благодаря существованию процессов ап-конверсии за счет переноса ергии между активными ионами, были созданы новые лазеры, позволяющие лучать генерацию в высокочастотной области при использовании существенно лее низкочастотной накачки [15], а также детекторы и преобразователи инфра-асного излучения в излучение видимого диапазона длин волн [16]. Ведутся ак-вные исследования по редкоземельным люминофорам, проявляющим эффект

квантового расщепления (quantum cutting), который обусловлен взаимодействие между ионами и позволяет получить из одного высокочастотного фотона нака> ки несколько низкочастотных фотонов, т.е. квантовый выход такого люминофор больше 1 [17]. Исследования таких люминофоров связаны с большими надеждам на улучшение эффективности солнечных батарей, за счет расщепления высокоч стотных солнечных фотонов на низкочастотные [18]. Эффект оптической бист бильности в кристаллах, активированных редкоземельными элементами [19], кот рый также обусловлен существованием взаимодействия между ионами, являете очень перспективным с точки зрения создания оптических цифровых компьют ров и устройств цифровой оптической памяти [20].

Несмотря на столь долгую историю исследования свойств кристаллов, ai тивированных редкоземельными элементами, они остаются актуальными до си пор, что связано с постоянным открытием новых применений.

Так, данные кристаллы рассматриваются как очень перспективные кандида ты для реализации на их основе устройств для квантовых вычислений и комму никаций. Квантовая теория информации — новая, бурно развивающаяся облает науки, в которой обработка, хранение и передача информации осуществляете квантовыми системами [21]. Посылки для ее возникновения и развития связань с существующими принципиальными физическими ограничениями в технологи ях классических вычислительных (ограничение физических размеров элементо электронных микросхем атомарной структурой вещества, принцип Ландауэра) и коммуникационных систем (возможность прослушивания классических секрет ных каналов связи, взлом схем шифрования). Помимо преодоления этих ограни чений, обработка информации с помощью квантовых систем может приводить к существенному ускорению вычислений за счет чисто квантовых эффектов и позволяет осуществить вычисления, невозможные ни на каких классических ком пыотерах за разумное время и при разумных ресурсах, а передача информации с помощью квантовых криптосистем делает прослушивание совершенно невозмож ным. Пример задачи, которая может быть эффективно решена на квантовом ком пыотере, и которая обеспечила наибольшую мотивацию для его разработки это квантовый алгоритм Шора для разложения больших чисел на простые сомножители [22]. Это один из нескольких квантовых алгоритмов, которые позволяют сравнительно небольшим квантовым компьютерам превзойти самые мощные классические суперкомпьютеры в решении некоторых специфических проблем, важных для шифрования информации. Другое приложение квантовых компьютеров может иметь даже еще большее технологическое значение: в 1980-х годах Ричард Фейнман предложил использовать квантовые компьютеры для моделирования квантовых систем [23]. Оценки показывают, что квантовый компьютер, превосходящий современные классические компьютеры, должен состоять как минимум из 102-103 кубитов. В настоящее время ведутся активные поиски квантовых систем, которые могут выполнять роль кубитов [24, 25]. В качестве таких систем рассматриваются: фотоны, ядра атомов в молекулярных системах, атомы и ионы в оптических ловушках или кристаллах, квантовые точки в полупровод-

никах, сверхпроводящие цепи, анионы в топологических изоляторах и пр. Все эти системы обладают определенными преимуществами и недостатками.

Использование ансамблей редкоземельных ионов в кристаллах в качестве ку-битов было предложено в работах [26, 27] и продолжает активно исследоваться [28, 29]. Данные системы показывают превосходные когерентные свойства и в принципе удовлетворяют всем критериям необходимым для реализации на их основе устройств квантовых вычислений. Помимо этого, на основе таких кристаллов разрабатываются наиболее перспективные устройства хранения оптической квантовой информации [30-33]. Это является очень важным, т.к. именно фотоны являются переносчиками квантовой информации на больших расстояниях [34].

Цели и задачи диссертационной работы

Экспериментальное исследование спектральных свойств кристаллов, активированных редкоземельными элементами, и возможности реализации на их основе элементов устройств для квантовых вычислений и коммуникаций.

В частности:

1. Экспериментальное и теоретическое исследование природы возникновения сателлитных линий, соответствующих оптическим переходам в комплексах ионов Ш3+ в кристалле ЬаРз и их внутренней структуры, скрытой неоднородным уширением, а также эффекта электромагнитно индуцированной прозрачности и механизмов ап-конверсии в данных комплексах.

2. Исследование спектроскопических характеристик оптических и сверхтонких переходов ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз. Экспериментальная демонстрация возможности создания кубитов на основе спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3"1" в кристалле ЬаРз, а также проведения основных одно- и двухкубитовых операций.

3. Демонстрация эффективного режима электромагнитно индуцированной прозрачности в ансамбле спектрально выделенных ионов Рг3+ в кристалле ЬаЕз.

4. Экспериментальная реализация оптической памяти на основе атомной частотной гребенки в кристалле Рг3+:ЬаРз. Исследование возможности контролируемого управления периодом атомной частотной гребенки (временем хранения) с помощью внешнего электрического поля.

Таким образом, диссертационная работа посвящена наиболее актуальным вопросам как экспериментального и теоретического исследования комплексов и ансамблей ионов редкоземельных элементов в кристаллах, так и применения данных кристаллов для квантовых вычислений и коммуникаций.

Научная новизна:

1. Впервые методом двойного оптического резонанса исследована внутренняя структура оптических переходов (сателлитных линий) комплексов ионов Ш3+ в кристалле ЬаРз, скрытая неоднородным уширением. На основе анализа этих данных, а также данных, полученных методами традиционной оптической спектроскопии, проанализированы механизмы, объясняющие природу возникновения сателлитных линий и их внутренней структуры. Проведено экспериментальное исследование механизмов ап-конверсии в комплексах

Ис13+ в кристалле ЬаЕз в режиме непрерывной накачки лазерным излучением и при гелиевых температурах. Впервые экспериментально реализован эффект электромагнитно индуцированной прозрачности в комплексах ионов Ш3+ в кристалле ЬаРз.

2. Впервые экспериментально осуществлена спектральная селекция ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз и продемонстрирована возможность реализации кубитов на основе таких ансамблей, а также проведения основных одно-кубитовых (манипуляция населенностью сверхтонких подуровней) и двухку-битовых (контролируемый одвиг/уширение линий поглощения спектрально выделенного ансамбля ионов при возбуждении других ионов) операций над ними. Экспериментально реализована прецизионная штарковская спектроскопии спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаР3.

3. Впервые экспериментально получен эффективный режим электромагнитно индуцированной прозрачности (просветление до 50%) в ансамбле спектрально выделенных ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз. Впервые экспериментально реализована оптическая память на основе атомной частотной гребенки в кристалле Рг3+:ЬаРз. Предложен и экспериментально продемонстрирован новый метод контролируемого управления периодом атомной частотной гребенки, и, следовательно, временем хранения с помощью внешнего электрического поля.

Научная и практическая значимость

Экспериментальные и теоретические исследования оптических переходов комплексов иоиов Ш3+ в кристалле ЬаРз, проведенные в диссертационной работе как методами традиционной оптической спектроскопии, так и методами лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения показывают исключительно важную роль именно систематического изучения таких комплексов различными спектроскопическими методами для более глубоко понимания взаимодействий между редкоземельными ионами в кристаллах. Экспериментальное наблюдение эффекта электромагнитно индуцированной прозрачности и ап-конверсии позволяет говорить о принципиальной возможности наблюдения эффекта подавления поглощения из возбужденных состояний за счет когерентного пленения населенностей. С данным явлением связывают большие надежды в области создания перестраиваемых лазеров в ультрафиолетовом диапазоне спектра [35].

Экспериментальное осуществление спектральной селекции ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз, а также демонстрация возможности реализации кубитов на основе таких ансамблей, и проведения одно- и двухкубитовых операций над ними, представленные в диссертационной работе, являются важным шагом на пути к созданию элементов устройств для квантовых вычислений на основе кристаллов, активированных редкоземельными элементами.

Экспериментальная реализация эффективного режима электромагнитно индуцированной прозрачности в ансамбле спектрально выделенных ионов с величинами просветления вплоть до 50%, которые в эксперименте ограничены лишь спектральной мощностью используемого излучения, а также экспериментальная

реализация оптической памяти на основе атомной частотной гребенки позволяют говорить о возможности практической реализации различных протоколов квантовой памяти в кристалле Рг3+:ЬаРз.

Предложенный и экспериментально продемонстрированный на примере кристалла Рг3+:ЬаР3 оригинальный метод контролируемого управления периодом атомной частотной гребенки, может быть применен в кристаллах, активированных Ег для реализации широкополосной многомодовой квантовой оптической памяти на основе АЧГ с контролируемым временем хранения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. При концентрациях ионов Ш3+ порядка 0.1 ат.% в кристалле ЬаР3 сателлит-ные линии, проявляющиеся в оптических спектрах поглощения и возбуждения флуоресценции вблизи (на масштабах порядка нескольких см-1) линий изолированного иона принадлежат парным комплексам ионов Ш3+-Ш3+ с различными межионными расстояниями и соответствуют переходам из расщепленного, за счет обменного/суперобменного взаимодействия между ионами, основного состояния в возбужденное. Внутренняя структура са-теллитных линий, скрытая неоднородным уширением, обусловлена дальнейшим снятием вырождения уровней пары ионов за счет различных типов взаимодействий между ними, в основном динамического электрического мультиполь-мультипольного, обменного/суперобменного и магнитного ди-поль-дипольного. Основным механизмом ап-конверсии в парных комплексах ионов Ш3+-Ш3+ в кристалле ЬаРз при непрерывной накачке лазерным излучением на переходе [419/2, 41д/2]—*-[(4С5/2, 41э/2).(41э/2, 4С5/2)] и гелиевых температурах является процесс ступенчатого возбуждения пар по схеме

[%/2, 419/2М(4С5/2. 41Э/2),(419/2, 4С5/2)] — [(4Р3/2, 41о/2), (419/2, ^3/2)] -

[(4Е)1/2, 41д/2),('11з/2, 401/2)]. При интенсивностях управляющего поля порядка нескольких кВт/см2 в парных комплексах Ш3+-Ш3+ на переходе [41д/2, 41э/2]—>[(4С5/2, 419/2),С%/2> 4®5/2)] экспериментально наблюдается эффект электромагнитно индуцированной прозрачности.

2. При помощи методики выжигания долгоживущих спектральных провалов в кристалле Рг!+:ЬаРз может быть осуществлена спектральная селекция ансамблей ионов Рг3+ с неоднородными ширинами оптических переходов существенно меньшими сверхтонкого расщепления основного и возбужденного состояний. Проведенные эксперименты по управлению населенностя-ми сверхтонких подуровней таких ансамблей, а также по контролируемому сдвигу их линий поглощения при возбуждении ионов в других спектральных диапазонах позволяют говорить о возможности реализации кубитов на их основе.

3. При использовании ансамблей спектрально выделенных ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз эффект электромагнитно индуцированной прозрачности позво-

■ ляет получить просветление среды вплоть до 50%. Дальнейший рост величины просветления ограничивается лишь спектральной мощностью имеющегося лазерного излучения.

4. В кристалле Pr3+:LaF3 на переходе 3Н4(1)—>1D2(1) возможна реализация оптической памяти на основе атомной частотной гребенки с временами хранения порядка 1 мкс. Возможно контролируемое управление периодом атомной частотной гребенки, и, следовательно, временем хранения при помощью внешнего электрического поля.

Степень достоверности и апробация работы

Обоснованность и достоверность полученных результатов определяется использованием проверенных и широко известных экспериментальных методик. Полученные экспериментальные данные подтверждены теоретическими расчетами и оценками и согласуются с результатами аналогичных работ других авторов.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных реферируемых научных журналах: «Письма в ЖЭТФ», «Оптический журнал», «Оптика и спектроскопия», «Journal of luminescence». Также результаты неоднократно докладывались на всероссийских и международных научных конференциях таких как: X Международные «Чтения по квантовой оптике» (2007 год), International conference «Frontiers of Nonlinear Physics 2007», International Symposium «Topical problems of nonlinear wave physics 2008», V Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики — 2008», VI Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика — 2009», International conference «Laser physics 2009», International conference «Frontiers of Nonlinear Physics 2010», «20th International Laser Physics Workshop (LPHYS'll)», «21th International Laser Physics Workshop (LPHYS'12)», International conference «Laser physics 2012», VII Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО-2012» и другие. За результаты полученные в диссертации автор дважды становился лауреатом Диплома 1-ой степени на конкурсе работ молодых ученых ИПФ РАН (2010 и 2012 год).

Публикации

По материалам диссертации было опубликовано 19 работ, из которых б — статьи в реферируемых журналах [Al, А2, A3, А4, А5, А6], 6 — труды [А7, А8, А9, А10, All, А12] и 7 — тезисы [А13, А14, А15, А16, А17, А18, А19] международных и всероссийских научных конференций.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично либо при его непосредственном участии. Постановка задач, интерпретация полученных результатов и формулировка выводов исследования осуществлялись совместно с научным руководителем и другими соавторами публикаций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа содержится на 142 листах и состоит из введения, трёх глав, заключения, списка работ автора по теме диссертации и списка цитируемой литературы. Содержит 41 рисунок и 14 таблиц. Список литературы из 159 наименований.

Содержание диссертационной работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе представлены результаты экспериментальных исследований парных комплексов ионов Ш3+-Ш3+ в кристалле ЬаР3 как с помощью методов традиционной оптической спектроскопии, так и метода двойного оптического резонанса. Впервые экспериментально измерена сложная внутренняя структура оптических переходов этих парных комплексов, скрытая неоднородным ушире-нием. Проведен теоретический анализ полученных экспериментальных данных и возможных типов взаимодействий между ионами на основе чего проанализированы механизмы, объясняющие природу возникновения как сателлитных линий, так и их внутренней структуры. Экспериментально и теоретически исследованы эффекты ап-конверсии и электромагнитно индуцированной прозрачности в данных системах.

В разделе 1.1 приводятся общие сведенья о межионных взаимодействиях и особенностях энергетической структуры комплексов близкорасположенных редкоземельных ионов в кристаллах. Дан обзор литературы по исследованию таких комплексов методами ЭПР, традиционной оптической спектроскопии, а также нелинейной лазерной спектроскопии. Аргументируется важность исследования таких комплексов методами нелинейной лазерной спектроскопии для более глубокого исследования структуры уровней, скрытой неоднородным уширением и различных взаимодействий между ионами.

Раздел 1.2 посвящен экспериментальному и теоретическому исследованию природы возникновения сателлитных линий в кристалле Ш3+:ЬаР3.

В параграфе 1.2.1 приводятся описание экспериментальной установки и результаты по измерению спектров поглощения и флуоресценции кристаллов Ш3+:ЬаР3 для концентраций Ш 0.1 и 0.5 ат.% относительно Ьа в окрестности переходов 419/2(1)-4С5/2(1) и 41э/2(1)-4<35/2(2) изолированных ионов неодима. В измеренных спектрах помимо линий, отвечающих оптическим переходам в изолированных ионах, на масштабах порядка нескольких см-1 наблюдаются другие линии поглощения (будем называть их сателлитыми линиями, см. рисунок 1). Сателлит-ные линии располагающиеся на масштабах ±1.5 см-1 находятся на крыльях линии изолированного иона поэтому их коэффициенты поглощения показаны условно.

В параграфе 1.2.2 анализируются измеренные спектры поглощения и флуоресценции. На основе квадратичной зависимости коэффициентов поглощения от концентрации ионов N(1 (см. рисунок 1), а также повторяемости наблюдаемых спектров для разных образцов делается заключение о том, что линии принадлежат парам ионов неодима. Данный вывод совпадает с результатами авторов [36]. Далее анализируется структура полученных спектров по относительному положению и относительной интенсивности наблюдаемых линий. Линии можно

Концентрация N(10.5 ат.%

Концентрация Мй 0.1 ат.%

5 Линия изолированного ^с переход 41«з(1)-*Си{1>

Волновое ЧИСЛО. СМ 1

Концентрация Кй 0.5 ат.%

§ 1-« ■

Волновое число, см"

Рис. 1. (а) — схематический спектр поглощения кристалла №3+:ЬаРз в окрестности перехода 419/2(1)-405/2(1) (и = 17306 см-1) изолированного иона Ш3+ при концентрации ионов неодима 0.5 ат. %. (б) — тоже при концентрации ионов неодима 0.1 ат.%. (в) — тоже в окрестности перехода 419/2(1)-405/2(2) {V = 17316 см-1) изолированного иона Ш3+ при концентрации ионов неодима 0.5 ат. %.

Таблица 1. Частотные позиции максимумов поглощения сателлитных линий относительно центра линии изолированного иона. 3 — постоянная обменного взаимодействия.

№ пары сателлитов Дг>г, Д^, СМ 1 2J, см-1

8, 1 4.4, -10.6 2.4 15

7,2 2.8, -8.1 2.89 10.9

6, 3 2, -6.4 3.2 8.4

11,4 1.3, -4.8 3.69 6.1

12, 5 0.7, -1.7 2.42 2.4

сгруппировать в пары линий с отношением в высокочастотную и низкочастотную область спектра близким к 1:3 относительно положения линии изолированного иона, причем интенсивности сателлитов в низкочастотной области как минимум на порядок меньше (см. рисунок 1 и таблицу 1). Затем проводится рассмотрение возможных механизмов образования сателлитных линий: 1) искажение кристаллической решетки в месте образования ионной пары [37], 2) динамическое электрическое квадруполь-квадрупольное взаимодействие между ионами пары [38], 3) обменное/супербменное взаимодействие между ионами пары [39]. Рассматриваются структуры уровней пары ионов, и соответственно, спектральных линий, которые могут возникнуть в результате этих взаимодействий и на основе сопоставления их с экспериментально наблюдаемым спектром делается заключение о том, данные сателлитные линии соответствуют оптическим переходам из расщепленного, за счет ферромагнитного обменного/суперобменного взаимодействия между ионами, основного состояния пар в возбужденное. Разным парам сателлитов (см. таблицу 1) соответствуют пары с различными межионными расстояниями.

Раздел 1.3 посвящен экспериментальному и теоретическому исследованию природы возникновения внутренней структуры сателлитных линий, скрытой неоднородным уширением в кристалле Мс13+:ЬаРз.

В параграфе 1.3.1 описана экспериментальная установка и представлены результаты по спектроскопии парных комплексов и изолированных ионов N<1 при помощи метода двойного оптического резонанса (см. рисунок 2).

I | . ( 1 1 . | . . . ,111.11)111

1 к

у*

г Н

1 1 1 1 1 . 1 1 1 1 1 Мл . . . 1 . . . 1 . . .

-3000 -2000 -1000 О 1000 2000 3000 Частотная расстройка между лазерными лучами. МГц

Рис. 2. Спектры двойного оптического резонанса сателлитных линий и линии изолированного иона (переход'119/2(1)-<1С5/2(1)). Образец с концентрацией 0.5 ат. %. Нумерация сателлитов соответствует рис. 1. Все спектры нормированы и имеют одинаковый масштаб по оси ординат, (а) — сателлит № 6; (Ь) — сателлит № 7; (с) — сателлит № 8; (<1) — линия изолированного иона

В параграфах 1.3.2, 1.3.3, 1.3.4, 1-3.5 анализируются возможные типы взаимодействия между ионами, которые могут приводить к наблюдаемой структуре линий парных комплексов, скрытой неоднородным уширением. Среди них [13]: магнитное диполь-дипольное, электрическое мультиполь-мультипольное, обменное/суперобменное и взаимодействие за счет обмена виртуальными фононами.

В параграфе 1.3.2 анализируется магнитное диполь-дипольное взаимодействие. Показано, что вклад данного взаимодействия в расщепление основного состояния пары [419/2(1),41д/2(1)] ближайших ионов с межионным расстоянием 4.107 А не превышает 1 ГГц. Вклад в расщепление возбужденного состояния [(4С5/2(1),419/2(1)),(41д/2(1),4С5/2(1))] не превышает 500 МГц.

В параграфе 1.3.3 анализируется электрическое мультиполь-мультиполь-ное взаимодействие. Проводятся оценки сдвигов и расщеплений уровней пары ионов как в основном, так и в возбужденном состояниях в первом и втором порядке по теории возмущений. Показано, что вклад этого взаимодействия в сдвиг уровней основного состояния порядка 1 ГГц, тогда как вклад в расщепление порядка 1 МГц и пренебрежимо мал. Для возбужденного состояния данное взаимодействие вызывает сдвиг также порядка 1 ГГц. Тогда как расщепление может до-

стигать 6 ГГц и обусловлено, в основном, динамическим квадруполь-квядруполь-ным взаимодействием. Вклады от диполь-мультипольного и мультиполь-мульти-польного для порядков мультиполей 4 и 6 несколько раз меньше.

В параграфе 1.3.4 приводятся данные экспериментальных работ других авторов по измерению вкладов обменного/суперобменного взаимодействия в расщепление возбужденных состояний пар ионов неодима в других кристаллах. На основе этого делается заключение о возможности расщепления возбужденных состояний пары за счет данного типа взаимодействия на величины порядка 10 ГГц.

В параграфе 1.3.5 приводятся данные экспериментальных работ других авторов по измерению вкладов взаимодействия за счет обмена виртуальными фононами в расщепление состояний пар ионов неодима, а также других редкоземельных ионов, в других кристаллах. На основе этого делается заключение о возможности расщепления состояний пары за счет данного типа взаимодействия на величины порядка 30 МГц.

В параграфе 1.3.6 приводится общая модель возникновения сателлитных линии и их внутренней структуры. Показывается, что предложенная модель возникновения сателлитных линий за счет обменного/суперобменного расщепления основного состояния пар ионов с различными межионными расстояниями и возникновения внутренней структуры сателлитных линий за счет магнитного диполь-дипольного взаимодействия, динамического электрического мультиполь-мульти-польного и обменного/суперобменного взаимно дополняют друг друга. Показывается, что пары образованы ионами, являющимися ближайшими соседями с межионными расстояниями порядка 4 А.

Раздел 1-4 посвящен экспериментальному и теоретическому исследованию эффектов ап-конверсии и электромагнитно индуцированной прозрачности в комплексах ионов Ш3+ в кристалле ЬаР3.

Параграф 1.4-1 посвящен исследованию механизмы ап-конверсии в парных комплексах Ш3+-Ш3+. Приводятся схемы экспериментальной установки по измерению динамики флуоресценции при импульсном возбуждении и измеренные зависимости динамики флуоресценции с уровня пары [(4Вз/2(1),419/2(1))>(419/2(1)> 40з/2(1))] на дине волны 380 нм. Обсуждаются различные механизмы ап-конверсии: различные виды ступенчатого возбуждения одного из ионов пары лазерным излучением или за счет переноса энергии от другого иона пары. Проводятся оценки скорости ап-конверсии за счет безызлучательного переноса возбуждения за счет электрического мультиполь-мультипольного взаимодействия. Проводится моделирование ап-конверсии в ионной паре на основе кинетических уравнений. На основе сравнения полученных расчетных зависимостей с экспериментальными (см. рисунок 3) показывается, что превалирующим механизмом ап-конверсии для пар с большими величинами обменного расщепления (27 > 8 см-1) при непрерывной накачке лазерным излучением на переходе [419/2(1), 41э/2(1)1—^[(4<35/2(1), 419/2(1)),(419/2(1), 4С5/2(1))] и гелиевых температурах является ступенчатое возбуждение ионов пары по схеме [41э/2, 41о/г]—>[(4Сз/21 41э/2).(41э/2, 4<^5/2)] [(4Рз/2.

419/2), (419/2, 4Рз/2)] - К401/2) 419/2),(419/2, 401/2)1

Время, мкс

Рис. 3. Временные зависимости динамики флуоресценции на длине волны 380 им. (а) — линия изолированного иона; (Ь) — сателлит К2 6. Сплошные линии — эксперимент. Пунктирные — расчет без учета ап-конверсии за счет переноса энергии. Штрих-пунктирпая — с учетом ап-конверсии за счет переноса энергии.

В параграфе 1.^.2 представлены результаты экспериментов по измерению спектров двойного оптического резонанса парных комплексов в магнитном поле и одновременного измерения спектров флуоресценции с уровня [(4Бз/2(1),41д/2(1)), (419/2(1)4Б3/2(1))]. Анализируются зависимости положений максимумов прохождения слабого пробного поля как функции от величины внешнего магнитного поля и частотной расстройки между пробным и управляющим полем. Показано, что при интенсивностях управляющего поля порядка нескольких кВт/см2 в комплексах на переходе [41э/2(1), 41э/2(1)]->[(4С5/2(1), 419/2(1)),(41э/2(1), 4С5/2(1))] наблюди ется эффект электромагнитно индуцированной прозрачности. Это обстоятельство вместе с тем, что ап-конверсия осуществляется посредством ступенчатого возбуждения одного из ионов пары на переходе [(4Р3/2(1), 419/2(1)), (41д/2(1)> 4Рз/г(1))] -* [(401/2, 419/2(1)),(419/2(1), 401/2)], позволяет предположить, что некоторые наблюдаемые резонансы пропускания соответствуют резонансам электромагнитно индуцированной прозрачности на данном переходе, и как следствие подавлению поглощения из возбужденного состояния [(4Р3/2(1), 419/2(1)), (419/2(1), 4Р3/2(1))], что очень важно с точки зрения создания перестраиваемых твердотельных лазеров в ультрафиолетовой области спектра [35].

В параграфе 1.5 перечислены основные результаты данной главы.

Результаты первой главы опубликованы в работах [А1, А2, АЗ, А7, А8, А9, А10, АН, А13, А14, А15, А16, А17].

Во второй главе представлены экспериментальные результаты спектральной селекции ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз. Экспериментально продемонстрирована возможность реализации кубитов на основе спектрально выделенных ансамблей ионов, а также осуществления основных операций над ними: манипуляция населенностью сверхтонких (кубитовых) подуровней (однокубитовые операции) и сдвиг линий поглощения кубита при возбуждении ионов в другой спектральной области (двухкубитовые операции). Измерены спектроскопические характеристики оптических и сверхтонких переходов ионов.

В разделе 2.1 дан обзор текущего состояния в области применения кристаллов, активированных редкоземельными ионами, для квантовых вычислений с точки зрения удовлетворения критериям Ди Винченцо, предъявляемым к системам обработки квантовой информации [40].

В разделе 2.2 представлены экспериментальные результаты измерений параметров оптических и сверхтонких переходов между подуровнями состояний 3Н4(1) и 1Ог(1) ионов Рг3+ в кристалле LaF3.

В параграфе 2.2.1 представлены результаты измерения неоднородных ширин оптического перехода между уровнями 3H,j(l) и ^(l) и коэффициентов поглощения при температуре 2 К для образцов с концентрациями Рг 0.05 и 0.75 ат.% относительно атома La. Измеренные величины составили: неоднородные ширины — 2 ± 0.3 и 7.4 ± 0.3 ГГц, оптическая толщина в максимуме линий — 0.9 ± 0.1 и 1.5 ± 0.1 для образцов с концентрациями Рг 0.05 и 0.75 ат.% соответственно.

В параграфе 2.2.2 представлены схема экспериментальной установки и результаты измерения неоднородных ширин Г^ош переходов между сверхтонкими подуровнями основного состояния 3Н4(1) методом двойного радиооптического резонанса. Измеренные ширины составили Г|^от составили 150 ± 20, 270 ± 30 и 180 ± 20 кГц для переходов ±1/2 <-> ±3/2, ±3/2 <-»■ ±5/2 п ±1/2 <-» ±5/2, соответственно.

Раздел 2.3 посвящен экспериментальной реализации спектральной селекции ансамблей ионов Рг3+ в кристалле LaF3. В начале раздела приводятся общие сведения о принцип реализации и описание архитектуры квантового процессора на основе спектрально выделенных ансамблей редкоземельных ионов в кристаллах.

В параграфе 2.3.1 приводится схема экспериментальной установки и методика создания спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле LaF3 при помощи метода выжигания спектральных провалов. Показывается, что данная методика позволяет получить внутри неоднородно уширенной оптической линии поглощения на переходе ионов Pr3+ 3H4(1)-1D2(1) спектральную область, в которой содержаться узкие линии поглощения, с неоднородными ширинами оптических переходов существенно меньшими сверхтонкого расщепления основного и возбужденного состояний, принадлежащие одной группе частиц (см. рисунок 4). Такие группы частиц ассоциируются с ансамблевыми кубитами в концепции построения квантового процессора на основе кристаллов, активированных редкоземельными ионами. Приводятся результаты экспериментальной реализации и обсуждаются вопросы, связанные с дальнейшей чисткой спектрально выделенного ансамбля от посторонних групп частиц, имеющих оптические переходы на частотах переходов ансамбля и инициализации ансамбля частиц (кубита) в состоянии, когда все ионы находятся только на одном сверхтонком подуровне.

•4 '7 а 2 л л 8 10 12 14 10 18 20 22 24 2« 28 30 32 34 38 Частота. МГц

Рис. 4. (а) — спектр поглощения пробного поля до процедуры спектральной селекции, (б) — спектр поглощения спектрально селектированной группы ионов. Состояния |1), |0) и |аих) обозначают сверхтонкие подуровни основного состояния 3Н,](1) с 1г = ±1/2, ±3/2 и ±5/2 соответственно. Состояния |е2) и |еЗ) — сверхтонкие подуровни возбужденного состояния 1Ог(1) с 1г = ±3/2 и ±5/2 соответственно. За ноль частоты выбрана частота оптического перехода 3Н4(1) /, = ±1/2 - ^2(1) 1г = ±1/2.

В разделе 2-4 приводятся экспериментальные результаты по измерению постоянных распада населенности между сверхтонкими подуровнями основного состояния ансамбля спектрально выделенных ионов. Измеренные величины составили 1.3 и 0.13 с-1.

Раздел 2.5 посвящен экспериментальной реализации переноса населенно-стей сверхтонких подуровней основного состояния спектрально выделенного ансамбля частиц (кубита) при помощи импульсов резонансного лазерного излучения. В начале раздела приводятся общие сведения о способах экспериментальной реализации произвольного преобразования ансамблевого кубита при помощи таких импульсов, которое требуется как для инициализации кубита в произвольном суперпозиционном состоянии \ф) = а|0) +/3|1), так и для проведения однокубито-вых операций.

В параграфе 2.5.1 приводятся экспериментальные результаты по некоге-ренному переносу населенности между сверхтонкими подуровнями ансамблевого кубита при помощи процедуры оптической откачки.

В параграфе 2.5.2 приводятся экспериментальные результаты по когерен-ному переносу населенности между сверхтонкими подуровнями ансамблевого кубита при помощи воздействия на него лазерными импульсами в виде комплексного гиперболического секанса. Показана возможность инициализации кубита при помощи таких импульсов (см. рисунок 5 сверху), а также продемонстрирован когерентный перенос насаленности мел-еду уровнями кубита. Эффективность когерентного переноса с уровня |1) на уровень |0) кубита при переносе через возбужденный уровень |еЗ) составила около 20% (см. рисунок 5 снизу). Показано, что эффективность переноса в эксперименте ограничивается спектральной мощностью имеющегося лазерного излучения.

О.»'—

•0«3>-

Частота. МГц

Рис. 5. Сверху: создание кубита с помощью пары импульсов в виде комплексного гиперболического секанса, действующих последовательно на переходы |аих)-|еЗ) и |еЗ)-|1). Снизу: изменение коэффициента поглощения на переходах |1)-[е2) и |0)-|е2) кубита после действия пары импульсов в форме комплексного гиперболического секанса на переходах |1)-|еЗ) и |еЗ)-|0).

34 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4 56

Частого, МГц

Рис. 6. Спектр поглощения кубита на переходе |1)-|е2). (а) — исходная линия поглощения кубита, содержащая взаимодействующие и невзаимодействующие ионы. (Ь) — линия поглощения взаимодействующих ионов кубита, оставшихся после процедуры дистилляции при возбуждении управляющих ионов в диапазоне 80 МГц. (с) — линия поглощения ионов кубита оставшихся после процедуры откачки, но без возбуждения управляющих ионов. (<1) — профиль поглощения до создания кубита.

Раздел 2.6 посвящен экспериментальной демонстрации возможности реализации двухкубитовой операции с кубитами на основе спектрально выделенных ионов Рг3+ в кристалле ЬаР3. В начале раздела обсуждается способ проведения двухкубитовых операций в устройствах квантовых вычислений с кубитами на основе спектрально выделенных ансамблей редкоземельных ионов в кристалле.

В параграфе 2.6.1 приводятся результаты экспериментальной демонстрации возможности проведения двухкубитовых операций, а именно контролируемого сдвига частот оптических переходов управляемого кубита при возбуждении управляющих ионов в других спектральных диапазонах внутри неоднородно уширенной оптической линии поглощения.

Сначала экспериментально демонстрируется операция дистилляции кубита, то есть отбор из первоначально приготовленного ансамбля частиц только тех, которые взаимодействуют с управляющими ионами. Показано, что в результате возбуждения управляющих ионов в спектральном диапазоне величиной 80 МГц из всех частиц, первоначально находившихся в кубите, остается около 50% (см. рисунок 6, отношение разностей площадей под кривыми [(56—5й)/(5а —5й)] х 100%), тогда как для других диапазонов (40, 20, 10 МГц) эта величина существенно меньше. Далее показывается, что из оставшихся 50% уверенно контролируются управляющими ионами приблизительно 80% (см. рисунок 6), отношение разностей площадей под кривыми [(56 - 5с)/(5Ь - х 100%). Обсуждаются способы уменьшения спектрального диапазона, в котором возбуждаются управляющие ионы, до величин порядка 1 МГц, необходимых для проведения полноценной двухкубитовой операции за счет увеличения спектральной мощности лазерного излучения возбуждающего управляющие ионы.

В разделе 2.7 перечислены основные результаты данной главы.

Результаты второй главы опубликованы в работах [А4, А12, А19].

В третьей главе представлены экспериментальные результаты по реализации эффективного режима электромагнитно индуцированной прозрачности вплоть до 50% в ансамблях спектрально выделенных ионов Рг3+ в кристалле ЬаР3. Экспериментальной реализации оптической памяти на основе атомной частотной гребенки в кристалле Рг3+:ЬаР3. Прецизионной штарковской спектроскопии спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаР3. А также экспериментальной реализация оригинального метода контролируемого изменения периода атомной частотной гребенки, и, как следствие, времени хранения оптического импульса в данном кристалле, с помощью внешнего электрического поля.

В разделе 3.1 дан обзор текущего состояния в области применения кристаллов, активированных редкоземельными ионами для устройств квантовых коммуникаций с точки зрения удовлетворения критериям Ди Винченцо [40].

Раздел 3.2 посвящен экспериментальной реализации эффективного режима электромагнитно индуцированной прозрачности, необходимого для создания эффективной квантовой памяти на основе этого явления.

В параграфе 3.2.1 приводится описание протокола хранения оптической квантовой информации при помощи эффекта электромагнитно индуцированной

Время 4 6 8 10 42 14 16 18 20 22 24 26

Частота пробного поля, МГц

Рис. 7. (и) — временная последовательность импульсов без импулы:» упраааяющего поля, (б) — импульс управляющего поля предшествует импульсу пробного поля, (в) — импульсы управляющего и пробного поля совпадают во времени. (1) — спектр пропускания спектрально выделенного ансамбля в отсутствие импульса управляющего поля. (2) — разность спектров пропускания спектрально выделенного ансамбля частиц в отсутствии управляющего импульса и случая, когда импульс управляющего поля опережает пробный импульс. (3) — разность спектров пропускания спектрально выделенного ансамбля частиц в отсутствии управляющего импульса и случая, когда импульс управляющего поля совпадает по времени с пробным импульсом. Мощность управляющего излучения 200 мВт.

прозрачности (ЭИП). Обсуждаются особенности реализации данного эффекта в кристаллах, активированных редкоземельными ионами. Показывается, что при использовании спектрально выделенных ансамблей ионов, прозрачность может достигать 100%, что необходимо для реализации квантовой памяти на основе ЭИП в режиме единичных квантов.

Параграф 3.2.2 посвящен экспериментальной реализации эффективного режима электромагнитно индуцированной прозрачности в ансамбле спектрально выделенных ионов Рг3+в кристалле ЬаЕ3на переходе 3Н4(1)-1В2(1) (см. рисунок 7). Измерена зависимость величины просветления от мощности управляющего поля. Показано, что при максимально имеющейся мощности управляющего поля 290 мВт просветление достигает 50%. Дальнейший рост просветления ограничен лишь спектральной мощностью имеющегося лазерного излучения. Измерена зависимость ширины резонанса ЭИП от мощности управляющего поля. Показано, что уширение начинается при значениях частот Раби, сравнимых с измеренной величиной неоднородного уширения сверхтонкого перехода основного состояния, на который «опираются» пробное и управляющее поле образующие Л-схему = ±1/2 <-> 1г = ±3/2, 150±20 кГц) в полном соответствии с теорией [41]. Для величин частоты Раби, меньших ширины сверхтонкого перехода, наблюдаемая ширина резонанса ЭИП (порядка 700 кГц) определяется спектральной шириной пробных импульсов длительностью 1.667 мкс.

Раздел 3.3 посвящен экспериментальной реализации оптической памяти на основе атомной частотной гребенки в кристалле Рг3+:ЬаРз.

Частота, МГц Время, икс

Рис. 8. Спектр поглощения атомной частотной гребенки (а). Временные зависимости сигналов на фотодетекторе (б) для гребенок с периодами: 1 — 1.8 МГц; 2 — 1.0 МГц; 3 — 1.4 МГц: 4 — 1.2 МГц: 5 — 1 МГц; 6 — 0.8 МГц; 7 — 0.6 МГц; 8 — без гребенки. Видна прошедшая через среду и не поглотившаяся гребенкой часть записываемого лазерного импульса и один или два импульса эха, испущенные гребенкой.

В параграфе 3.3.1 приводится подробное описание протокола оптической памяти на основе атомной частотной гребенки. Указываются преимущества и недостатки данного протокола. К преимуществам относится мультимомдовая емкость. К недостаткам — фиксированное время хранения, определяемое периодом созданной гребенки = 27гт/Д, где т — порядковый номер испускаемого эха.

В параграфе 3.3.2 представлены экспериментальные результаты по созданию атомных частотных гребенок на переходе 3Н4(1)-1В2(1) ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз с различными периодами Д и реализации оптической памяти на основе этих гребенок с временами хранения порядка 1 мкс (см. рисунок 8). В эксперименте сохранялись лазерные импульсы длительностью на полувысоте 450 не. Приведены теоретические оценки эффективности памяти для гребенок с различными периодами, которые хорошо совпадают с наблюдаемым в эксперименте. Обсуждаются причины падения эффективности для гребенок с малыми периодами и способы их преодоления.

Раздел 3.4 посвящен разработке и исследованию оригинального метода контролируемого управления периодом атомной частотной гребенки, а следовательно временем хранения, при помощи внешнего электрического поля, который может быть применен в кристаллах, активированных Ег для реализации широкополосной многомодовой квантовой оптической памяти на телекоммуникационной длине волны на основе АЧГ с контролируемым временем хранения.

В параграфе 3-4-1 приводятся данные экспериментальных исследований по штарковской спектроскопии спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз (см. рисунок 9). Измеренный коэффициент штарковского сдвига для перехода 3Н4(1)-1В2(1) составил 0.142 ± 0.002 МГц/(В-см-1).

(а)

Напряжение на электродах, В

Ж1-- Напряжение

на электродах, В

10 15 20 25 Частота, МГц

10 15 20 25 Частота, МГц

Рис. 9. Спектры пропускания спектрально выделенной группы ионов для двух различных конфигураций внешнего электрического поля и поляризации лазерного излучения относительно локальных осей симметрии.

Рис. 10. Спектры поглощения атомной частотной гребенки (а) и соответствующие им эхо-сигналы (б) для двух различных величии приложенного электрического поля. Пунктирная линия — исходная гребенка при напряжении па электродах 87 В. Сплошная линия — эта же гребенка, «сжатая» уменьшением напряжения на электродах до 63 В. На вставке изображена схема расположения электродов, создающих внешнее неоднородное электрическое поле.

В параграфе 3-4-2 представлена экспериментальная демонстрация метода контролируемого управления периодом атомной частотной гребенки, а следовательно временем хранения, при помощи внешнего электрического поля в кристалле Pr3+:LaF3 (см. рисунок 10). Обсуждаются причины падения эффективности памяти при сжатии гребенки и способы их преодоления.

В разделе 3.5 перечислены основные результаты данной главы.

Результаты третьей главы опубликованы в работах [А5, А6, А12, А18, А19].

В Заключении представлены основные результаты полученные в диссертационной работе:

1. Экспериментально и теоретически показано, что сателлитные линии, проявляющиеся в оптических спектрах поглощения и возбуждения флуоресценции вблизи (на масштабах порядка нескольких см-1) линий изолированного иона Nd3+ в кристалле LaF'3 при концентрации неодима порядка 0.1 ат.%, принадлежат парным комплексам ионов Nd3+-Nd3+ с различными межионными расстояниями и соответствуют переходам из расщепленного, за счет обменного/суперобменного взаимодействия между ионами, основного состояния в возбужденное. Внутренняя структура сателлитных линий, скрытая неоднородным уширением, обусловлена дальнейшим снятием вырождения уровней пары ионов за счет различных типов взаимодействий между ними, в основном динамического электрического мультиполь-мультипольного, обменного/суперобменного и магнитного диполь-диполыюго. Основным механизмом ап-конверсии в парных комплексах ионов Nd3+-Nd3+ в кристалле LaF3 при непрерывной накачке лазерным излучением на переходе [4Ig/2, 41э/г] —>[(4Gs/2, 41о/2),(41п/2. 4G5/2)] и гелиевых температурах является процесс ступенчатого возбуждения пар по схеме [4Ig/2, 41э/г]—^[(4G5/2, 4l9/2)iC%/2> 4G5/2)] — [(4F3/2, 4I9/2), (%/2, 4F3/2)] - [(4D1/2, VMV- 4°i/2)]- При интенсивностях управляющего поля порядка нескольких кВт/см2 в парных комплексах Nd3+-Nd3+ на переходе [4Ig/2, 4Ig/2]—4l9/2)>(4l9/2. 4G5/2)] экспериментально наблюдается эффект электромагнитно индуцированной прозрачности.

2. При помощи методики выжигания долгоживущих спектральных провалов в кристалле Pr^LaFs осуществлена спектральная селекция ансамблей ионов Рг3+ с неоднородными ширинами оптических переходов, существенно меньшими сверхтонкого расщепления основного и возбужденного состояний. Проведенные эксперименты по управлению населенностью сверхтонких подуровней таких ансамблей, а также по контролируемому сдвигу их линий поглощения при возбуждении ионов в других спектральных диапазонах позволяют говорить о возможности реализации кубитов на их основе. Исследованы спектроскопические характеристики оптических и сверхтонких переходов между подуровнями 3Н4(1) и ^(l) ионов Рг3+ в кристалле LaF3.

3. Продемонстрировано, что при использовании ансамблей спектрально выделенных ионов Рг3+ в кристалле LaF3 эффект электромагнитно индуцированной прозрачности позволяет получить просветление среды вплоть до 50%.

Дальнейший рост величины просветления ограничивается лишь спектральной мощностью имеющегося лазерного излучения. 4. В кристалле Pr3+:LaF3 на переходе 3Н4(1)—>1D2(1) экспериментально реализована оптическая память на основе атомной частотной гребенки с временами хранения порядка 1 мкс. Показана возможность контролируемого управления периодом атомной частотной гребенки, и, следовательно, временем хранения при помощи внешнего электрического поля.

Цитированная литература

1. Ronda С. R., Justel Т., Nikol Н. Rare earth phosphors: fundamentals and applications // Journal of Alloys and Compounds. 1998. Vol. 275-277. Pp. 669 -676.

2. Moncorge R. Current Topics in Rare-earth Lasers // Spectroscopic Properties of Rare Earths in Optical Materials / Ed. by R. Hull, J. Parisi, J. Osgood, R.M. et al. Springer Berlin Heidelberg, 2005. Vol. 83 of Springer Series in Materials Science. Pp. 320-378.

3. Nikl M. Scintillation detectors for x-rays // Measurement Science and Technology. 2006. Vol. 17, no. 4. Pp. R37-R54.

4. Kramer K. W., Dorenbos P., Gudel H. U., van Eijk C. W. E. Development and characterization of highly efficient new cerium doped rare earth halide scintillator materials // J. Mater. Chem. 2006. Vol. 16. Pp. 2773-2780.

5. Dieke G. H., Heroux L. Absorption Spectra, Zeeman Effects, and Magnetic Properties of Neodymium Salts // Phys. Rev. 1956, —Sep. Vol. 103. Pp. 1227-1239.

6. Bleaney В., Elliott R. J., Scovil H. E. D. Dipole-Dipole Interaction in the Rare-Earth Ethylsulphates // Proceedings of the Physical Society. Section A. 1951. Vol. 64, no. 10. P. 933.

7. Du Y., Cheng Z. X., Wang X.-L., Dou S. X. Structure, magnetic, and thermal properties of Ш^^Ьа^-СгОз (0 < x < 1.0) // Journal of Applied Physics. 2010. Vol. 108, no. 9. P. 093914.

8. Obradors X., Visani P., de la Torre M. et al. Rare-earth magnetic ordering in the R2Cu04 cuprates (R=Tb, Dy, Ho, Er and Tm) // Physica C: Superconductivity. 1993. Vol. 213, no. 1-2. Pp. 81 - 87.

9. Baker J. M. Interactions between ions with orbital angular momentum in insulators // Reports on Progress in Physics. 1971. Vol. 34, no. 1. Pp. 109-173.

10. Meltzer R. Line Broadening Mechanisms and Their Measurement // Spectroscopic Properties of Rare Earths in Optical Materials / Ed. by R. Hull, J. Parisi, J. Osgood, R.M. et al. Springer Berlin Heidelberg, 2005. Vol. 83 of Springer Series in Materials Science. Pp. 191-265.

11. Jloy В. Парамагнитный резонанс в твердых телах: Пер. с англ. М.: Издательство иностранной литературы, 1962. 242 с.

12. Morgan G., Yen W. Optical energy transfer in insulators // Laser Spectroscopy of Solids II. Springer Berlin Heidelberg, 1989. Vol. 65 of Topics in Applied Physics. Pp. 77-122.

3. Auzel F. Up-conversions in RE-doped Solids // Spectroscopic Properties of Rare Earths in Optical Materials / Ed. by R. Hull, J. Parisi, J. Osgood, R.M. et al. Springer Berlin Heidelberg, 2005. Vol. 83 of Springer Series in Materials Science. Pp. 266-319.

4. Зверев Г. M., Голяев Ю. Д. Лазеры на кристаллах и их применение. М.: Рикел, Радио и связь, 1994. 312 с.

5. Scheps R. Upconversion laser processes // Progress in Quantum Electronics. 1996. Vol. 20, no. 4. Pp. 271 - 358.

6. Mita Y. Infrared up-conversion phosphors // Phosphor Handbook / Ed. by W. M. Yen, S. Shionoya, H. Yamamoto. CRC Press, 2006. Pp. 775-783.

7. Zhang Q., Huang X. Recent progress in quantum cutting phosphors // Progress in Materials Science. 2010. Vol. 55, no. 5. Pp. 353 - 427.

8. Teng Y., Zhou J., Liu X. et al. Efficient broadband near-infrared quantum cutting for solar cells // Opt. Express. 2010, —Apr. Vol. 18, no. 9. Pp. 9671-9676.

9. Guillot-Noel 0., Binet L., Gourier D. Towards intrinsic optical bistability of rare earth ion pairs in solids // Chemical Physics Letters. 2001. Vol. 344, no. 5-6. Pp. 612 - 618.

0. From optical bistability towards optical computing: The EJOB Project, Ed. by P. Mandel, S. D. Smith, B. S. Wherrett. North-Holland, 1987. 414 pp.

1. Нильсен M., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация: Пер. с англ. М.: Мир, 2006. 842 с.

2. Shor P. W. Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer // SIAM J. Comput. 1997. Vol. 26, no. 5. Pp. 1484-1509.

3. Feynman R. Simulating physics with computers // International Journal of Theoretical Physics. 1982. Vol. 21, no. 6-7. Pp. 467-488.

4. Ladd T. D., Jelezko F., Laflamme R. et al. Quantum computers // Nature. 2010. Vol. 464. Pp. 45-53.

5. Валиев К. А. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления // Успехи физических наук. 2005. Т. 175, № 1. С. 3-39.

6. Ichimura К. A simple frequency-domain quantum computer with ions in a crystal coupled to a cavity mode // Optics Communications. 2001. Vol. 196, no. 1-6. Pp. 119 - 125.

7. Ohlsson N., Mohan R. K., Kroll S. Quantum computer hardware based on rare-earth-ion-doped inorganic crystals // Optics Communications. 2002. Vol. 201, no. 1-3. Pp. 71 - 77.

8. Beavan S. E., Fraval E., Sellars M. J., Longdell J. J. Demonstration of the reduction of decoherent errors in a solid-state qubit using dynamic decoupling techniques // Phys. Rev. A. 2009.-Sep. Vol. 80. P. 032308.

9. Walther A., Julsgaard В., Rippe L. et al. Extracting high fidelity quantum computer hardware from random systems // Physica Scripta. 2009. Vol. 2009, no. T137. P. 014009.

30. Simon C., Afzelius M., Appel J. et al. Quantum memories. A review based on t.he

European integrated project "Qubit Applications (QAP)" // European Physical Journal D. 2010. Vol. 58. Pp. 1-22.

31. Clausen C., Bussieres F., Afzelius M., Gisin N. Quantum Storage of Heralded Polarization Qubits in Birefringent and Anisotropically Absorbing Materials // Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 108. P. 190503.

32. Gundogan M., Ledingham P. M., Almasi A. et al. Quantum Storage of a Photonic Polarization Qubit in a Solid // Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 108. P. 190504.

33. Zhou Z.-Q., Lin W.-B., Yang M. et al. Realization of Reliable Solid-State Quantum Memory for Photonic Polarization Qubit // Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 108. P. 190505.

34. Sangouard N., Simon C., de Riedmatten H., Gisin N. Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics // Rev. Mod. Phys. 2011. —Mar. Vol. 83. Pp. 33-80.

35. Kuznetsova E., Kolesov R., Kocharovskaya O. Suppression of excited-state absorption: A path to ultraviolet tunable solid-state lasers // Phys. Rev. A. 2004. Vol. 70. P. 043801.

36. Buisson, R., Liu, J.Q. Fluorescence quenching of Nd3+ in LaF3 studied by direct measurements on pairs //J. Phys. France. 1984. Vol. 45, no. 9. Pp. 1523-1531.

37. Holsa J., Antic-Fidancev E., Lastusaari M., Lupei A. Local perturbations due to rare-earth (R3+) doping // Journal of Solid State Chemistry. 2003. Vol. 171, no. 1-2. Pp. 282 - 286.

38. Basiev Т., Fedorov V., Karasik A., Pukhov K. Strong coherent interaction of Nd3+-Nd3+ pair ions in CaF2 crystal // Journal of Luminescence. 1999. Vol. 81, no. 3. Pp. 189 - 197.

39. Guillot-Noel O., Mehta V., Viana B. et al. Evidence of ferromagnetically coupled Nd3+ ion pairs in weakly doped Nd : LiYF4 and Nd : YVO4 crystals as revealed by high-resolution optical and EPR spectroscopies // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 61. Pp. 15338-15346.

40. Divincenzo D. P. The physical implementation of quantum computation // Fortschr. Phys. 2000. Vol. 48. P. 771-783.

41. Ichimura K., Yamamoto K., Gemma N. Evidence for electromagnetically induced transparency in a solid medium // Phys. Rev. A. 1998. Vol. 58. Pp. 4116-4120.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

А1. Ахмеджанов Р. А., Бондарцев А. А., Гущин Л. А., Жарова Н. А. Использование эффекта электромагнитно индуцированной прозрачности для измерения суперсверхтонкого расщепления уровней ионов редкоземельных металлов, допированных в оптические кристаллы // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 86, № 9. С. 646-650.

А2. Akhmedzhanov R. A., Bondartsev A. A., Gushchin L. A. et al. Double optical resonance spectroscopy of the Nd3+ ion pairs in LaF3 crystal // Journal of Luminescence. 2010. Vol. 130, no. 9. Pp. 1610-1613.

A3. Ахмеджанов Р. А., Бондарцев А. А., Гущин Л. А., Чернов В. В. Резонансная лазерная спектроскопия ионных пар в кристалле Nd3+:LaF3 // Оптический журнал. 2011. Т. 78, № 5. С. 84-87.

А4. Ахмеджанов Р. А., Бондарцев А. А., Гущин Л. А. и др. Кубиты на основе спектрально выделенных групп ионов Рг3+ в кристалле LaF3 // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 94, № 12. С. 945-950.

А5. Ахмеджанов Р. А., Бондарцев А. А., Гущин Л. А., Зеленский И. В. Эффективный режим электромагнитно индуцированной прозрачности в кристалле Pr3+:LaF3 // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 94, № 7. С. 585-589.

А6. Ахмеджанов Р. А., Бондарцев А. А., Гущин Л. А. и др. Фотонное эхо на атомной частотной гребенке в кристалле LaF3, активированном Рг // Оптика и спектроскопия. 2013. Т. 115, № 3. С. 367-371.

А7. Akhmedzhanov R. A., Bondartsev A. A., Gushchin L. A. et al. Investigation of interference quantum effects on Zeeman transitions in Nd3+:LaF3 crystal // Proceedings of III International Conference "Frontiers of Nonlinear Physics 2007". Nizhny Novgorod: IAP RAS, 2007. Pp. 201-202.

A8. Akhmedzhanov R. A., Bondartsev A. A., Gushchin L. A. Electromagnetically induced transparency based spectroscopy of ion-ion interaction in solids // Proceedings of International Symposium "Topical problems of nonlinear wave physics 2008". Nizhny Novgorod: IAP RAS, 2008. Pp. 108-109.

A9. Ахмеджанов P. А., Бондарцев А. А., Гущин Л. А. Использование электромагнитно индуцированной прозрачности для спектроскопии ионных пар Nd3+-Nd3+ в кристалле LaF3 // Сборник трудов международного оптического конгресса «Оптика - XXI век». Т. 1 «Фундаментальные проблемы оптики - 2008». Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2008. С. 26-29.

А10. Ахмеджанов Р. А., Бондарцев А. А., Гущин Л. А., Чернов В. В. Лазерная спектроскопия ионов Nd3+ в кристалле LaF3 // Труды шестой международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2009». Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2009. С. 48-49.

All. Akhmedzhanov R. A., Bondartsev A. A., Gushchin L. A. et al. Resonant laser spectroscopy of Nd3+ ion doped into LaF3 // Proceedings of IV International Conference "Frontiers of Nonlinear Physics 2010". Nizhny Novgorod: IAP RAS, 2010. Pp. 280-281.

A12. Ахмеджанов P. А., Бондарцев А. А., Гущин Л. А. и др. Экспериментальная демонстрация кубит-кубитового взаимодействия и эффективного режима электромагнитио индуцированной прозрачности в кристалле Pr3+:LaF3 // Сборник трудов VII международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2012». Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2012. С. 351-354.

А13. Akhmedzhanov R. A., Anisimov P. М., Bondartsev A. A. et al. EIT and coherent suppression of ESA in Nd:LaF3 // Book of abstracts of the Workshop on the Storage and Manipulation of Quantum Information in Optically-Addressed Solids. Bozeman, Montana, USA: Montana State University, 2008. P. 42.

A14. Akhmedzhanov R. A., Anisimov P. M., Bondartsev A. A. et al. Measurement of

the ion pair interaction in Nd3+:LaF3 using electromagnetically induced transparency // Book of abstracts 17th International "Laser Physics Workshop LPHYS 2008", Trondheim, Norway: Norwegian University of Science and Technology, 2008. P. 92.

A15. Anisimov P., O'Brien C., Gao S.-Y. et al. New regimes and applications of quantum coherence effects in solids // Book of abstracts 18"' International "Laser Physics Workshop LPHYS 2009". Barselona, Spain: The Institute of Photonic Sciences, 2009. P. 38.

A16. Akhmedzhanov R. A., Bondartsev A. A., Chernov V. V. et al. Coherent suppression of excited state absorption and EIT at the ion pairs transitions in Nd3+:LaF3 crystal // Book of abstracts 18th International "Laser Physics Workshop LPHYS 2009". Barselona, Spain: The Institute of Photonic Sciences, 2009. P. 42.

Al7. Akhmedzhanov R. A., Bondartsev A. A., Gushchin L. A., Kocharovskaya O. A. Electromagnetically Induced Transparency on Isolated and Pair Ion Lines of Nd3+ Doped into LaF3 // Book of abstracts 20J'1 International "Laser Physics Workshop LPHYS 2011". Sarajevo, Bosnia and Herzegovina: The University of Sarajevo, 2011. P. 22.

A18. Akhmedzhanov R. A., Bondartsev A. A., Gushchin L. A. et al. Efficient Regime of Electromagnetically Induced Transparency in Pr^LaFs Crystal // Book of abstracts 20"' International "Laser Physics Workshop LPHYS 2011". Sarajevo, Bosnia and Herzegovina: The University of Sarajevo, 2011. P. 65.

A19. Akhmedzhanov R. A., Bondartsev A. A., Gushchin L. A. et al. Experimental demonstration of effective regime of EIT and qubit-qubit interaction in Pr3+:LaF3 crystal // Book of abstracts 21"' International "Laser Physics Workshop LPHYS 2012". Calgary, Canada: University of Calgary, 2012. P. 85.

БОНДАРЦЕВ Александр Анатольевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ, АКТИВИРОВАННЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, И ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ НА ИХ ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ И КОММУНИКАЦИЙ

Автореферат

Подписано к печати 06.09.2013 Формат 60 х 901/1б. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ № 64 (2013)

Отпечатано на ризографе в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук

БОНДАРЦЕВ Александр Анатольевич

Экспериментальное исследование спектральных свойств кристаллов, активированных редкоземельными элементами, и возможности реализации на их основе элементов устройств для квантовых вычислений и коммуникаций

На ппавах юукописи

04201362611

01.04.21 — лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Ахмеджанов Р. А.

Нижний Новгород 2013

Содержание

Введение................................... 5

Глава 1. Экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействий в ионных комплексах Nd3+-Nd3+ в кристалле ЬаЕз 16

1.1 Межионные взаимодействия и особенности энергетической структуры комплексов редкоземельных ионов в кристаллах....... 16

1.2 Сателлитные линии в кристалле Ш3+:ЬаГз............. 23

1.2.1 Измерение спектров поглощения и флуоресценции кристаллов ................................ 23

1.2.2 Теоретический анализ. Природа возникновения сателлит-ных линий............................ 26

1.3 Внутренняя структура сателлитных линий, скрытая неоднородным уширением............................. 32

1.3.1 Экспериментальные результаты двойного оптического резонанса сателлитных линий.................. 32

1.3.2 Магнитное диполь-дипольное взаимодействие........ 35

1.3.3 Электрическое мультипольное взаимодействие....... 36

1.3.4 Обменное/суперобменное взаимодействие между ионами в разных состояниях....................... 43

1.3.5 Обмен виртуальными фононами............... 44

1.3.6 Общая модель возникновения сателлитных линий и их внутренней структуры ....................... 45

1.4 Эффекты ап-конверсии и электромагнитно индуцированной прозрачности в ионных комплексах ................... 47

1.4.1 Механизмы ап-конверсии в парных комплексах....... 47

1.4.2 Двойной оптический резонанс в магнитном поле. Переходы между возбужденными состояниями пары ионов. Электромагнитно индуцированная прозрачность........... 55

1.5 Заключение к Главе 1......................... 64

Глава 2. Спектрально выделенные ансамбли ионов Рг3+ в кристал-

ле ЬаГз и элементы устройств для квантовых вычислений на их основе ......................................................... 65

2.1 Применение кристаллов, активированных редкоземельными ионами, в области квантовых вычислений ................ 65

2.2 Измерение параметров оптических и сверхтонких переходов ионов Ргз+

в кристалле ЬаРз......................... 73

2.2.1 Измерение коэффициентов поглощения и неоднородной ширины оптических переходов.................. 73

2.2.2 Измерение неоднородной ширины сверхтонких переходов . 75

2.3 Спектральная селекция ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаЕз.

Ансамблевые кубиты.......................... 77

2.3.1 Экспериментальная реализация спектральной селекции ионов

Рг3+ в кристалле ЬаРз...................... 79

2.4 Релаксация населенности кубита................... 84

2.5 Манипуляция населенностью состояний кубита. Однокубитовые операции................................. 86

2.5.1 Некогерентный перенос населенности кубита........ 86

2.5.2 Когерентный перенос населенности кубита......... 87

2.6 Взаимодействие спектрально выделенных групп частиц. Двухку-

битовые операции ........................... 91

2.6.1 Экспериментальная демонстрация.............. 92

2.7 Заключение к Главе 2......................... 96

Глава 3. Элементы устройств оптической памяти на основе спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаГз 97

3.1 Применение кристаллов, активированных редкоземельными элементами, в области квантовых коммуникаций............ 97

3.2 Эффективный режим электромагнитно индуцированной прозрачности ...................................103

3.2.1 Описание протокола хранения оптической информации на

основе электромагнитно индуцированной прозрачности . . 103

3.2.2 Экспериментальная реализация эффективного режима элек-

тромагнитной прозрачности в среде из спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле LaF3.......105

3.3 Фотонное эхо на атомной частотной гребенке............109

3.3.1 Описание протокола хранения оптической информации на основе атомной частотной гребенки .............109

3.3.2 Экспериментальная реализация оптической памяти на основе атомной частотной гребенки в кристалле Pr3f:LaF3 . ИЗ

3.4 Управление временем хранения с помощью внешнего электрического поля................................115

3.4.1 Штарковская спектроскопия спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле LaF3............117

3.4.2 Управление периодом атомной частотной гребенки при помощи внешнего электрического поля.............118

3.5 Заключение к Главе 3.........................120

Заключение.................................121

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации 122 Литература.................................126

Введение

Спектроскопические исследования диэлектрических кристаллов, активированных редкоземельными элементами, представляют большой интерес уже на протяжении более 60 лет. Это прежде всего связано с тем, что такие кристаллы являются превосходными люминофорами, которые находят многочисленные применения [1], и активными средами для множества используемых твердотельных лазеров [2]. Среди них можно отметить ставшие уже классическими лазеры на кристаллах Ш3+:УАС, а также лазеры на кристаллах Ш3+:УУС>4, излучающие на длине волны 1064 им и используемые в мощных и компактных лазерных системах. Кристаллы, активированные эрбием (Ег), нашли широчайшее применение в волоконных усилителях и микролазерах, используемых в телеметрии и телекоммуникации. Кристаллы, активированные церием (Се), являются превосходными сцинтилляционными детекторами рентгеновского и гамма-излучения [3,4].

Указанные применения используют люминесцентные свойства отдельных, изолированных друг от друга, редкоземельных ионов. Однако даже при концентрациях порядка 1 % относительно замещаемого элемента, эти ионы не являются строго изолированными и взаимодействуют друг с другом за счет различных типов взаимодействий как напрямую, так и через ионы кристаллической решетки, что было обнаружено уже в самых ранних работах по оптической спектроскопии [5] и электронному парамагнитному резонансу (ЭПР) [6]. Наличие этих взаимодействий открывает множество фундаментально новых и практически важных эффектов и проявляется в тепловых, магнитных и оптических свойствах этих кристаллов. На макроскопическом масштабе они приводят к аномалиям в удельной теплоемкости при низких температурах (аномалия Шоттки), модификации магнитной восприимчивости при высоких температурах и возникновению магнитного порядка при температурах ниже определенной критической для данного кристалла [7,8]. На микроскопическом масштабе они ответственны за уширение и расщепление энергетических уровней ионов [9,10] и обмен энергией между ионами (процессы спин-спиновой и кросс-релаксации, спектральной диффузии, эффекты ап-конверсии) [11-13].

Для классических лазеров, например, наличие взаимодействий между ак-

\

тивными ионами приводит к такому неприятному эффекту как концентрационное тушение люминесценции [14]. С другой стороны, процесс кросс-релаксации делает возможным создание эффективных лазеров с длиной волны генерации 2 мкм и накачкой на длине волны 790 им на кристаллах, активированных ионами тулия [2]. Благодаря существованию процессов ап-конверсии за счет переноса энергии между активными ионами, были созданы новые лазеры, позволяющие получать генерацию в высокочастотной области при использовании существенно более низкочастотной накачки [15], а также детекторы и преобразователи инфракрасного излучения в излучение видимого диапазона длин волн [16]. Ведутся активные исследования по редкоземельным люминофорам, проявляющим эффект квантового расщепления (quantum cutting), который обусловлен взаимодействием между ионами и позволяет получить из одного высокочастотного фотона накачки несколько низкочастотных фотонов, т.е. квантовый выход такого люминофора больше 1 [17]. Исследования таких люминофоров связаны с большими надеждами на улучшение эффективности солнечных батарей, за счет расщепления высокочастотных солнечных фотонов на низкочастотные [18]. Эффект оптической бистабильиости в кристаллах, активированных редкоземельными элементами [19], который также обусловлен существованием взаимодействия между ионами, является очень перспективным с точки зрения создания оптических цифровых компьютеров и устройств цифровой оптической памяти [20].

Несмотря на столь долгую историю исследования свойств кристаллов, активированных редкоземельными элементами, они остаются актуальными до сих пор, что связано с постоянным открытием новых применений.

Так, данные кристаллы рассматриваются как очень перспективные кандидаты для реализации на их основе устройств для квантовых вычислений и коммуникаций. Квантовая теория информации - новая, бурно развивающаяся область науки, в которой обработка, хранение и передача информации осуществляется квантовыми системами [21]. Посылки для ее возникновения и развития связаны с существующими принципиальными физическими ограничениями в технологиях классических вычислительных (ограничение физических размеров элементов электронных микросхем атомарной структурой вещества, принцип Ландауэра) и коммуникационных систем (возможность прослушивания клас-

сических секретных каналов связи, взлом схем шифрования). Помимо преодоления этих ограничений, обработка информации с помощью квантовых систем может приводить к существенному ускорению вычислений за счет чисто квантовых эффектов и позволяет осуществить вычисления, невозможные ни на каких классических компьютерах за разумное время и при разумных ресурсах, а передача информации с помощью квантовых криптосистем делает прослушивание совершенно невозможным. Пример задачи, которая может быть эффективно решена на квантовом компьютере, и которая обеспечила наибольшую мотивацию для его разработки это квантовый алгоритм Шора для разложения больших чисел на простые сомножители [22]. Это один из нескольких квантовых алгоритмов, которые позволяют сравнительно небольшим квантовым компьютерам превзойти самые мощные классические суперкомпьютеры в решении некоторых специфических проблем, важных для шифрования информации. Другое приложение квантовых компьютеров может иметь даже еще большее технологическое значение: в 1980-х годах Ричард Фейнман предложил использовать квантовые компьютеры для моделирования квантовых систем [23]. Оценки показывают, что квантовый компьютер, превосходящий современные классические компьютеры, должен состоять как минимум из 102-103 кубитов. В настоящее время ведутся активные поиски квантовых систем, которые могут выполнять роль кубитов [24,25]. В качестве таких систем рассматриваются: фотоны, ядра атомов в молекулярных системах, атомы и ионы в оптических ловушках или кристаллах, квантовые точки в полупроводниках, сверхпроводящие цепи, анионы в топологических изоляторах и пр. Все эти системы обладают определенными преимуществами и недостатками.

Использование ансамблей редкоземельных ионов в кристаллах в качестве кубитов было предложено в работах [26,27] и продолжает активно исследоваться [28,29]. Данные системы показывают превосходные когерентные свойства и в принципе удовлетворяют всем критериям необходимым для реализации на их основе устройств квантовых вычислений. Помимо этого, на основе таких кристаллов разрабатываются наиболее перспективные устройства хранения оптической квантовой информации [30-33]. Это является очень важным, т.к. именно фотоны являются переносчиками квантовой информации на больших расстояниях [34].

Целью диссертационной работы являлось

Экспериментальное исследование спектральных свойств кристаллов, активированных редкоземельными элементами, и возможности реализации на их основе элементов устройств для квантовых вычислений и коммуникаций.

В частности:

1. Экспериментальное и теоретическое исследование природы возникновения сателлитных линий, соответствующих оптическим переходам в комплексах ионов Ш3+ в кристалле ЬаРз и их внутренней структуры, скрытой неоднородным уширением, а также эффекта электромагнитно индуцированной прозрачности и механизмов ап-конверсии в данных комплексах.

2. Исследование спектроскопических характеристик оптических и сверхтонких переходов ионов Рг3+ в кристалле ЬаЕз. Экспериментальная демонстрация возможности создания кубитов на основе спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз, а также проведения основных одно- и двухкуби-товых операций.

3. Демонстрация эффективного режима электромагнитно индуцированной прозрачности в ансамбле спектрально выделенных ионов Рг3+ в кристалле ЬаР3.

4. Экспериментальная реализация оптической памяти на основе атомной частотной гребенки в кристалле Рг3+:ЬаРз. Исследование возможности контролируемого управления периодом атомной частотной гребенки (временем хранения) с помощью внешнего электрического поля.

Таким образом, диссертационная работа посвящена наиболее актуальным вопросам как экспериментального и теоретического исследования комплексов и ансамблей ионов редкоземельных элементов в кристаллах, так и применения данных кристаллов для квантовых вычислений и коммуникаций.

В связи с этим решались следующие задачи:

1. Провести измерение спектров поглощения и флуоресценции кристаллов Щ3-|":ЬаРз методами традиционной оптической спектроскопии и методом двойного оптического резонанса. На основе полученных экспериментальных результатов осуществить анализ возможных типов взаимодействий между ионами неодима, образующими комплекс, которые могут приводить к возникновению сателлитпых линий и их внутренней структуры. Исследовать эффект ап-конверсии в комплексах ионов Осуществить экспериментальное наблюдение эффекта электромагнитно индуцированной прозрачности в комплексах ионов Ш3+ в кристалле ЬаРз.

2. Экспериментально реализовать спектральную селекцию ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаЕз и продемонстрировать возможность создания кубитов на основе таких ансамблей, а также проведения основных однокубитовых (манипуляция населенностью сверхтонких подуровней) и двухкубитовых (контролируемый сдвиг/уширение линий поглощения спектрально выделенного ансамбля ионов при возбуждении других ионов) операций над ними.

3. Показать возможность реализации эффективного режима электромагнитно индуцированной прозрачности в ансамбле спектрально выделенных ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз. Осуществить экспериментальную реализацию оптической памяти на основе атомной частотной гребенки в кристалле Рг3+:ЬаЕз и экспериментально продемонстрировать новый метод контролируемого управления периодом атомной частотной гребенки (временем хранения) с помощью внешнего электрического поля.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Впервые методом двойного оптического резонанса исследована внутренняя структура оптических переходов (сателлитных линий) комплексов ионов Ш31" в кристалле ЬаРз, скрытая неоднородным уширением. На основе анализа этих данных, а также данных, полученных методами традиционной оптической спектроскопии, проанализированы механизмы, объясняющие природу возникновения сателлитных линий и их внутренней структуры. Проведено экспериментальное исследование механизмов ап-конверсии в комплексах Ш3' в кристалле ЬаРз в режиме непрерывной накачки лазерным излучением и при гелиевых температурах. Впервые экспериментально реализован эффект электромагнитно индуцированной прозрачности в комплексах ионов Ш3+ в кристалле ЬаРз.

2. Впервые экспериментально осуществлена спектральная селекция ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз и продемонстрирована возможность реализации кубитов на основе таких ансамблей, а также проведения основных од-нокубитовых (манипуляция населенностью сверхтонких подуровней) и двух-кубитовых (контролируемый сдвиг/уширение линий поглощения спектрально выделенного ансамбля ионов при возбуждении других ионов) операций над ними. Экспериментально реализована прецизионная штарковская спектроскопии спектрально выделенных ансамблей ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз.

3. Впервые экспериментально получен эффективный режим электро-магнитпо индуцированной прозрачности (просветление до 50%) в ансамбле спектрально выделенных ионов Рг3+ в кристалле ЬаРз. Впервые экспериментально реализована оптическая память на основе атомной частотной гребенки в кристалле Рг3(~:ЬаРз. Предложен и экспериментально продемонстрирован новый метод контролируемого управления периодом атомной частотной гребенки, и, следовательно, временем хранения с помощью внешнего электрического поля.

Научная и практическая значимость работы

Экспериментальные и теоретические исследования оптических переходов комплексов ионов Ш3+ в кристалле ЬаРз, проведенные в диссертационной работе как методами традиционной оптической спектр