Введение к работе
Актуальность темы. Нелинейные процессы взаимодействия электромагнитного (ЭМ) поля с веществом находят применение в информационных технологиях для хранения, передачи и обработки данных. Привлечение современных достижений теории информации и квантовой физики дало толчок новому направлению - квантовым информационным технологиям. Использование свойств микро- и наносистем (фотоны, атомы и ионы в ловушках, квантовые точки и т.д. [1]) обеспечивает высокую эффективность работы с данными, закодированными в их квантовых состояниях.
Использование фотонов в качестве носителей информации обеспечивает устойчивость каналов передачи к шумам, однако требует реализации сильного нелинейного взаимодействия в процессах, включающих небольшое число фотонов. Для решения этой проблемы предложено несколько квантовых атоыно-полевых интерфейсов (2), использующих обратную связь J3], электромагнитно-индуцированную прозрачность [4], резонаторное взаимодействие [5], и т.д. Экспериментальные успехи, достигнутые как в способах генерации однофотонных состояний, так и в области реализации оптической памяти и оптических квантовых вентилей, дали толчок теоретическим исследованиям, направленным на поиск оптимальных условий, обеспечивающих атомно-полевое взаимодействие. С этой точки зрения представленная работа, посвященная исследованию нелинейных полуклассичсских и квантовых оптических эффектов, актуальна.
Целью работы является исследование нелинейных квантовых эффектов взаимодействия ЭМ поля с атомом и моделирование на их основе логических устройств для оптических и квантовых информационных технологий. Научная новизна результатов, полученных в работе:
-
Исследован эффект оптической бистабильности (ОБ), возникающий при взаимодействии двух мод ЭМ поля с трехуровневым атомом Л - конфигурации. Обратная связь, включающая обе моды, реализуется использованием кольцевого резонатора. Найдены и исследованы решения системы нелинейных уравнений, полученных из стационарного уравнения Лиувилля и уравнений согласования. Построены и изучены кривые интенсивностей „вход - выход" для различных параметров взаимодействия атома и ЭМ поля. Двумерная область входных параметров, при которых наблюдается ОБ, построена и исследована впервые.
-
Исследованы эффекты нелинейного взаимодействия четырех мод ЭМ поля с М-схемой пяти атомных уровней. Найдены условия возникновения эффектов
когерентного пленения населенности (КПН) и электромагнитно - индуцированной прозрачности (ЭМИП) в стационарном режиме. Предложена полуклассическая модель операции контролируемого преобразования фазы на 7Г (КПФ„.) поляризационных состояний мод ЭМ поля.
-
Исследована эволюция неклассического состояния квантовой моды ЭМ поля резонатора в процессе взаимодействия с неидеальным детектором. Для модели дискретного фотодетектора, в которой ЭМ поле взаимодействует с двухуровневым атомом-зондом, развит формализм операторов Крауса. Для учета разного рода неидеальностей детектора состояний атома, впервые вместо ортогональных проекторов введены операторы более общего вида. С их использованием исследовано влияние неидеальности на характеристики информативности фотодетектора, связанные с изменением энтропии системы.
-
Исследованы квантовые логические операции на основе условной эволюции квантовых систем. На примере квантовой логической операции КПФ„ фоков-ских состояний резонаторного ЭМ поля, предложен эффективный способ реализации многокубитовых логических вентилей, использующих редукцию при измерении. Впервые при моделировании квантовых логических устройств использован формализм операторов Крауса. С этой целью исследованы алгебраические свойства системы операторных уравнений для анализируемой ситуации.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты теоретического исследования взаимодействия Л - атома и двумо-дового ЭМ поля с учетом обратной связи по обеим модам. Результаты, полученные численным решением системы нелинейных уравнений, и исследование свойств этих решений.
-
Исследование эффектов нелинейного взаимодействия четырех мод ЭМ поля с М-схемой пяти атомных уровней и их использование для реализации КПФ,. поляризационных состояний данных мод.
-
Теоретическое описание процесса детектирования квантовой моды ЭМ поля резонатора неидеальным фотодетектором. Алгебраические свойства системы уравнений для операторов, описывающих неидеальный детектор. Влияние неидеальности на изменение энтропии фон Неймана при детектировании.
-
Результаты теоретического исследования и численного моделирования операции КПФ„ квантовых состояний ЭМ поля. Использование условной эволюции квантовой системы, взаимодействующей с детектором, для реализации условных вероятностных квантовых вентилей с вероятностью, близкой к единице.
Достоверность результатов обеспечивается надежностью используемых теоретических методов, использованием современного вычислительного оборудования при проверке моделей, воспроизводимостью полученных результатов, хорошим согласием с теоретическими расчетами других авторов и многократной апробацией результатов на научных семинарах и конференциях. Научная и практическая значимость:
-
Результаты, полученные для оптической системы с двумодовой структурой обратной связи, могут быть использованы для реализации оптической ячейки памяти, а также оптического транзистора.
-
Теоретическое исследование эффектов КПН и ЭМИП позволяет реализовывать устройства, в которых имеет место сильное нелинейное взаимодействие между распространяющимися совместно модами ЭМ поля.
-
Результаты исследования условной эволюции могут быть использованы для описания любой квантовомеханической системы, взаимодействующей с детектором. В частности, это касается квантовых информационных систем, в которых детектор выполняет особую роль извлечения классической информации из состояний квантовых объектов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: международной конференции молодых ученых „КМУ" (Санкт-Петербург, 2008г., 2009г., 2010г., 2011г.); международной конференции „Days on Diffraction" (Санкт-Петербург, 2008г., 2009г.); международной конференции молодых ученых „Оптика" (Санкт-Петербург, 2007г., 2011г.); международной конференции „Фундаментальные проблемы опти-ки"(Санкт-Петербург, 2008г., 2010г.); международной конференции ICONO/Lat (Казань, 2010г.); международной научной школе„Когерентная оптика и оптическая спектроскопия" (Казань, 2010г., 2011г.); семинаре памяти Д.Н. Клышко (Москва, 2011г.). Личный вклад автора. В большинстве совместных работ автором диссертации выполнена основная часть исследований. Соавторам принадлежит постановка задач, обсуждение полученных результатов и участие в написании статей. Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 13 печатных изданиях, 7 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 6 - в сборниках трудов конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 115 страниц с 32 рисунками. Список литературы содержит 127 наименований.
