Передача квантовых состояний по оптическим каналам связи на основе поляритонов

• Автор: Баринов, Игорь Олегович
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Владимир
• Количество страниц: 142 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЯХ НА ОСНОВЕ ПРОТОКОЛОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КВАНТОВЫХ КЛЮЧЕЙ
§1.1. Перспективы коммуникаций на основе передачи квантовых состояний
§1.2. Поляритоны в свободной среде
§1.3. Поляритоны в микрорезонаторах
§1.4. Протокол передачи информации ОиАМ-Шыц-ОвАС-гоаЕЯ (ОЬСг)
Запись квантовой информации в узле сети
Чтение квантовой информации из узла сети
§1.5. Квантовые повторители для сетей на основе протокола 01Сг
Создание перепутанности между узлами сегмента сети
Создание перепутанности между сегментами сети
§1.6. Поляритоны в протоколе Duan-L.ukin-Cirak-Zoli.er (DL.CZ)
Обсуждение и выводы по главе
ГЛАВА 2. ВРЕМЕННОЕ ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ СОСТОЯНИЙ ПОЛЯРИТОНОВ, ЛОКАЛИЗОВАННЫХ В УЗЛАХ КВАНТОВОЙ СЕТИ
§2.1.Модель поляритонного кристалла
§2.2. Образование когерентных поляритонов в поляритонном кристалле
§2.3. Фазовый переход поляритонов нижней дисперсионной ветви
§2.4. Когерентные свойства поляритонов в неравновесном случае
Обсуждение и выводы по главе
ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕМ ИНФОРМАЦИИ В УЗЛАХ КВАНТОВОЙ СЕТИ. КЛОНИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ СОСТОЯНИЙ ПОЛЯРИТОНАМИ
§3.1. Управление распространением информации в поляритонном кристалле
§3.2. Когерентные возмущения двухуровневого осциллятора
§3.3. Квантовые макроскопические возмущения в полупроводниковых структурах
§3.4. Клонирование квантовых состояний поляритонами
Обсуждение и выводы по главе
ГЛАВА 4. СВЯЗЬ СЕГМЕНТОВ КВАНТОВОЙ СЕТИ ЗА СЧЕТ ГЕНЕРАЦИИ ПЕРЕПУТАННЫХ ПОЛЯРИТОНОВ В ИХ УЗЛАХ С ПОЛНОСТЬЮ ОПТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
§4.1. ГЕНЕРАЦИЯ РАМАНОВСКИХ ПОЛЯРИТОНОВ В УЗЛАХ КВАНТОВОЙ СЕТИ
§4.2. Динамическая модель управления связью сегметов квантовой сети за счет квантовой
ПЕРЕПУТАННОСТИ ПОЛЯРИТОНОВ
Обсуждение и выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Успехи последних десятилетий в развитии полупроводниковой микроэлектроники привели к значительному росту объемов обрабатываемой информации, что в совокупности с сетями на основе оптических волокон и современных технологий мультиплексирования данных позволило достичь значений пропускной способности каналов порядка 10Тб/с. Однако, предел объемов передаваемой и обрабатываемой информации на основе существующих технологий практически достигнут и необходимо развитие принципиально новых подходов.
Перспективное направление исследований в области улучшения требуемых характеристик телекоммуникационных систем проходит по полю квантовых эффектов и масштабов. Производство оптических планарных делителей - яркий пример успешного сочетания данных технологий [1].
Отличие квантовых систем обработки и передачи данных от классических заложено в физическом принципе преобразования информации. В отличие от классических систем, где ячейка памяти содержит только один бит информации и принимает одно из двух возможных значений: "1" или "О", квантовые системы могут характеризоваться суперпозицией двух базисных состояний, которая в теории квантовых вычислений получила название "кубит", что обеспечивает недоступную для классических систем параллельную обработку информации. В квантовых системах имеется множество примеров систем с двумя состояниями: поляризация фотонов, основное и возбужденное состояния электрона в атоме водорода. Для большого объема данных эффективность квантовых вычислений значительно выше классических алгоритмов, которые лежат в основе всех современных систем обработки и защиты данных.

§1.4. Протокол передачи информации Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)
Как было сказано выше, коммуникации на основе квантовых состояний открывают новые перспективы в области как защиты, так и объема передаваемой информации. Эффективность существующих каналов передачи квантовых состояний ограничена потерями и декогеренцией. Например, средние значения потерь в оптическом волокне составляют около 0.2дБ/км, что равносильно пропускной способности канала 95% при длине 1км. Тем не менее, эти потери становятся значительными при расстояниях порядка сотен километров и растут экспоненциально.
В классических телекоммуникационных сетях данная проблема решается внедрением усилителей (повторителей, репитеров), что невозможно сделать в случае передачи квантовых состояний в силу теоремы о неклонируемости [82], согласно которой невозможно усилить сигнал, не ограничив наборы ортогональными состояниями, в то время как передача квантового ключа подразумевает как раз неортогональную его форму.
Тем не менее, оказалось, что проблема может быть решена с использованием более сложного метода основанного на перепутывании состояний, который известен как «квантовый повторитель» [83]. Идея состоит в том, что согласно [84] состояния при квантовой перепутанности могут быть взаимно заменены («swapped»). Если есть перепутанные состояния между точками А и В, а так же между С и D, выполняя совместное измерение систем В и С можно получить перепутывание между А и D, даже если они не взаимодействуют непосредственно.
Рассмотрим подробнее перспективный для целей квантовых коммуникаций протокол DLCZ на основе идеи квантового повторителя.
Основная идея квантового повторителя состоит в том, что расстояние L между коммутирующими объектами можно разделить на два сегмента, между которыми посредством перепутанности состояний создать связь (см. рис. 1.11). В свою очередь каждый сегмент можно так же разделить, получив