Квантовая память для света в многоуровневых атомных системах

• Автор: Шеремет, Александра Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 133 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Квантовый интерфейс световой и атомной подсистем .

1.1. Основные понятия квантовой информатики

1.2. Квантовая память

1.3. Квантовый повторитель

1.4. Основные требования, предъявляемые к квантовой памяти

Глава 2. Спектр возбуждения щелочного атома и восприимчивость среды в присутствии управляющего поля

2.1. Динамический эффект Штарка в системе сверхтонких подуровней щелочного атома

2.2. Квазиэнергетический спектр Аутлера-Таунса с учетом конечности сверхтонкого взаимодействия

2.3. Экспериментальное наблюдение резонансной структуры Аутлера-

Таунса
Глава 3. Распространение сигнального импульса в оптически плотной среде
3.1. Задержка и "остановка" сигнального импульса с помощью процесса вынужденного комбинационного рассеяния
3.2. Экспериментальная реализация протокола квантовой памяти для
состояния света, обладающего орбитальным угловым моментом (ОУМ)
Глава 4. Кооперативное рассеяние света системой атомов с вырожденной структурой основного состояния

4.1. Квантовая теория кооперативного рассеяния с учетом эффектов
ближнего и дальнего поля
4.2. Рассеяние света на системе двух атомов. Сравнение с результатами задачи Дике
4.3. Рассеяние света на системе N атомов Л - типа
4.4. Влияние управляющего поля на процесс рассеяния
Заключение
Список литературы
Приложение А. Матричные элементы дипольных моментов атомных переходов
Приложение Б. Схемы квантового интерфейса, использующие угловые моды излучения, взаимодействующего с веществом .
Б.1. Моды Лагерра-Гаусса
Б.2. Моды Эрмита-Гаусса
Б.З. Приготовление мод Лагерра-Гаусса в эксперименте
Введение
Актуальность темы. Представленная диссертация посвящена исследованию взаимодействия оптических полей с многоуровневыми атомными системами, с целью разработки и совершенствования систем квантовой памяти, основанных на явлении вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и связанном с ним эффекте электромагнитной индуцированной прозрачности (ЭИП) [1]
- [2]. Квантовая память является ключевым элементом при разработке квантовых информационных сетей и связана с такими инновационными направлениями фундаментальной физики как передача информации посредством телепорта-ционного протокола [3], квантовая криптография [4], квантовое моделирование [5] и, в перспективе, создание квантового компьютера [6].
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование механизма контролируемой временной задержки в распространении светового импульса, при его прохождении через ансамбль поляризованных атомов, взаимодействующих с внешним управляющим полем. При этом принципиальным является исследование эффектов, связанных с многоуровневой структурой как самого атома, так и с коллективной квазиэнергетической структурой в случае проявления кооперативного взаимодействия в атомном ансамбле высокой плотности. Процесс задержки распространения света рассмотрен в контексте протоколов квантовой памяти, основанных на различных проявлениях явления вынужденного комбинационного рассеяния в атомной среде. Диссертация структурирована следующим образом:
1. Рассмотрены основные квантово-информационные приложения, в настоящее время экспериментально реализованные, но требующие для своего развития создание надежных систем квантовой памяти. Описаны основные характеристики, позволяющие оценить качество и эффективность квантовой памяти.
2. Проведен расчет восприимчивости атомной среды, состоящей из ато-

прогресс заметен. Так в группе под руководством Ж. Лора, с которой у автора имеется научное сотрудничество, в настоящее время уже достигнута эффективность порядка 15% [53].
Помимо одномодовой квантовой памяти, необходимой для хранения однофотонного состояния, еще более широкое применение может найти, так называемая, многомодовая квантовая память, которая позволяет увеличить емкость информационного обмена в сети или канале. Создание многомодовой квантовой памяти принципиально необходимо для разработки масштабируемого оптического квантового компьютера (т. е. способного проводить реальные, а не демонстрационные вычисления) и для обеспечения эффективного вложенного протокола очищения для квантового повторителя, см. ниже. Пространственная многомодовость может также развить интересные идеи в области квантовых изображений. Данное направление активно развивается в Санкт-Петербургском государственном университете проф. И. В. Соколовым [54] - [55]. Примерами таких протоколов являются квантовая голографическая телепортация [56] и схемы плотного кодирования при передаче пространственно многомодовых состояний (изображений) [57].
1.3. Квантовый повторитель
Как было отмечено выше, процессы телепортации квантового состояния и передачи криптографического ключа на далекие расстояния являются низко-эффективными из-за значительных потерь в канале, а также осуществляются с низкой скоростью. В 1998 г. Брейгелем и др. для увеличения радиуса действия квантовых сетей была предложена схема так называемого квантового повторителя [58]. В случае квантовой сети данный повторитель способен существенно расширить область действия квантового перепутывания, если для состояний передаваемых фотонов можно обеспечить идеальную систему квантовой памяти.