КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-22-00318
НазваниеУправление генерацией многомодовых источников неклассического излучения
РуководительТихонов Кирилл Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2025 г. |
Конкурс№89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика
Ключевые словаоптический параметрический генератор, дисперсия, частотные гребенки, многомодовое излучение, квадратурно-сжатый свет, негауссовы квантовые состояния света
Код ГРНТИ29.33.18
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Источники многофотонного неклассического света являются ключевыми компонентами существующих, а также разрабатываемых квантовых технологий. В частности, такие источники могут быть использованы для передачи информации в квантовой криптографии [1] или для создания многочастичных запутанных кластерных состояний [2] необходимых для выполнения протоколов однонаправленных квантовых вычислений [3]. Кроме того, квадратурно-сжатое излучение, генерируемое такими источниками, представляет особый интерес для прецизионных измерений гравитационных волн [4], а также в радиометрии [5]. Отдельно стоит упомянуть новое направление исследований, в котором с помощью данных источников получают “негауссовы” квантовые состояния света [6], которые применяются для увеличения эффективности передачи информации при квантовой телепортации [7] и квантовой коррекции ошибок [8].
Поскольку свойства генерируемого неклассического излучения оказываются весьма чувствительны к параметрам и физическим особенностям конкретных источников, чтобы улучшить их качество, требуется решить ряд научных задач. Настоящий проект направлен на решение двух таких задач для одних из самых распространенных и перспективных источников неклассического излучения.
Первой задачей проекта является исследование эффекта дисперсии на генерацию многомодового неклассического излучения с помощью оптического параметрического генератора с синхронной накачкой (SPOPO) [9]. На сегодняшний день SPOPO, благодаря сочетанию высокой степени когерентности, характерной для лазеров, работающих в непрерывном режиме, и большой мощности, свойственной импульсным лазерам, стал одним из наиболее востребованных источников квантового света в задачах квантовых оптики и информатики, что подтверждается публикациями в “высокоимпактных” научных журналах [10 -12]. В частности, с его помощью было получены многомодовое квадратурно-сжатое излучение [13], а также негауссово состояние света [14], сгенерированы многочастичные кластерные состояния [15], созданы квантовые сети [16]. Кроме того, излучение SPOPO, представляющее собой частотную гребенку, широко используется для разного рода приложений спектроскопии [17].
Работа SPOPO основана на явлении параметрической внизконверсии, происходящей внутри нелинейного кристалла, помещенного внутри кольцевого резонатора. В известных нам моделях SPOPO дисперсия в нелинейном кристалле не учитывается ([10-16] и др. работах). Однако на практике наличие даже небольшой дисперсии пагубно сказывается на свойствах генерируемого излучения. В частности, она приводит к дополнительному фазовому набегу у каждой моды квантового излучения на выходе резонатора. Это приводит, например, к тому, что при гомодинном детектировании квадратурно-сжатого сигнала источника к сжатой квадратуре с подавленным дробовым шумом подмешивается растянутая [18]. В результате степень сжатия сигнала оказывается неоптимальной. При выполнении проекта мы исследуем влияние этого эффекта и предложим методы его подавления и/или управления, как было сделано для однопроходного (т.е. безрезонаторного) случая [19].
Второй задачей проекта является теоретическая разработка протокола генерации негауссовых состояний в схемах с вычитанием фотонов двух типов: 1) схемы с элементами пассивной линейной оптики; 2) схемы с применением перепутывающей операции Controlled-Z. Мы рассмотрим процедуру вычитания фотонов [20-22], где в качестве входных состояний используются квадратурно-сжатые состояния света. Мы планируем построить аналитическое описание всего протокола и выделить параметры, наиболее активно влияющие на негауссовость выходных состояний. Мы исследуем коммутативные свойства элементов схемы и классифицировать их по отношению к последовательности операций. Всё это позволит нам получить протокол генерации негауссовых состояний c менее строгими экспериментальными требованиями по отношению к уже существующим и улучшить свойства генерируемого неклассического излучения с точки зрения процедуры коррекции ошибок.
Ожидаемые результаты
В рамках проекта мы планируем получить следующие результаты:
1) мы решим задачу о параметрическом режиме генерации двух связанных квантовых гармонических осцилляторов. Напомним, что в квантовой оптике квантовым модам излучения можно сопоставить квантовый гармонический осциллятор. При этом наличие дисперсии в такой модели можно представить в виде линейной связи этих двух осцилляторов. Решение этой задачи позволит нам качественно проанализировать “перемешивание” двух мод при наличии дисперсии и сравнить полученные результаты для идеального случая, в котором дисперсия отсутствует. Кроме того, мы количественно оценим степень сжатия каждого осциллятора при различных величинах дисперсии;
2) следующей задачей, которую мы решим в рамках проекта, будет учет дисперсии в параметрической генерации SPOPO. Излучение SPOPO является многомодовым, что существенно усложняет анализ данной задачи. Используя формализм так называемых “супермод”, мы оценим, как дисперсия влияет на каждую из этих супермод, включая ее степень сжатия, а также спектральные характеристики. Мы найдем оптимальные параметры локального осциллятора при гомодинном детектировании каждой супермоды. Это позволит существенно улучшить все существующие протоколы генерации неклассического излучения с помощью SPOPO, которые были упомянуты ранее в аннотации к проекту. Кроме того, мы ожидаем, что полученные результаты можно будет обобщить на произвольную систему линейно связанных квантовых гармонических осцилляторов в параметрическом режиме генерации, что может быть интересно не только квантово-оптическому сообществу, но и исследователям в других областях физики;
3) используя “редукцию” Блоха-Мессии, мы определим новый набор собственных мод (супермод) SPOPO с учетом дисперсии. Отметим, что супермоды, упомянутые во втором пункте, получаются в результате линеаризации гамильтониана, описывающего параметрический процесс внизконверсии внутри нелинейного кристалла в отсутствие дисперсии. Нас же будет интересовать линеаризация задачи, наоборот, при наличии дисперсии. Мы ожидаем, что, получив новое “фундаментальное” решение задачи с учетом дисперсии, мы можем существенно улучшить характеристики детектируемого излучения SPOPO. Кроме того, это позволит сравнить данный подход с подходом, описанном в пункте два;
4) мы проанализируем возможности для управления свойствами излучения SPOPO с помощью дисперсии. Как было показано в работе [19], подобрав величину дисперсии для каждой моды соответствующим образом, можно усилить выделенную моду излучения, ослабив при этом все остальные. Мы проанализируем может ли данный подход быть использован при наличии в рассматриваемой системе резонатора, а также найдем, как это повлияет на квантовые свойства излучаемого SPOPO света;
5) будет разработан новый протокол генерации негауссовых квантовых состояний с вычитанием фотонов с использованием пассивных линейно-оптических элементов (т.е. светоделителей, фазовращателей и т.д.) и оценена степень негауссовости излучения на выходе. Будут определены параметры протокола, которые наиболее сильно влияют на негауссовость выходных квантовых состояний. Мы также исследуем коммутативные свойства элементов схемы и классифицируем их по отношению к последовательности операций. Ожидается, что новый протокол генерации негауссовых состояний окажется менее требовательным к оборудованию, используемому в эксперименте, что в конечном счете приведет к улучшению квантовых характеристик излучения;
6) будет разработан протокол генерации негауссовых квантовых состояний в схемах с вычитанием фотонов с использованием преобразования “Controlled-Z”. Поскольку “Controlled-Z” характеризуется весовым коэффициентом активного интерферометра, связанным со сжатием вспомогательных осцилляторов, будет оценено их влияние на величину отрицательности вигнеровской функции. Кроме того, мы оценим интегральные и пиковые характеристики негауссовости процессов. Это позволит сравнить сравнить схему генерации негауссовых состояний, использующих Controlled-Z преобразование со схемами пассивного интерферометра и глубже понять механизм генерации негауссовых состояний, необходимых для квантово-информационных протоколов, а также выявить состояния, которые лучше всего подходят для коррекции ошибок.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ