Современное развитие информационных и диагностических технологий в значительной мере связано с расширением сферы применения эффектов, в которых законы квантовой механики играют принципиальную роль. Одной из активно разрабатываемых международным научным сообществом тематик является использование квантовой интерференции в атомных и/или фотонных системах для информационно-вычислительных процессов, телекоммуникаций, криптографии, сверхточных измерений, создания стандартов частоты нового поколения и т. д.
 |
|
Экспериментальный стенд
для работ в области квантовых и оптических
информационных технологий |
|
Становление этого направления в ИПФ РАН связано с пионерскими исследованиями эффекта интерференции квантовых переходов в резонансно-поглощающих средах — когерентного пленения населенностей (КПН). Эти работы были выполнены в 1980—1990-е годы Я. И. Ханиным и О. А. Кочаровской с сотрудниками. Наиболее важным макроскопическим проявлением эффекта КПН оказалась электромагнитно-индуцированная прозрачность (ЭИП). В ИПФ РАН получен ряд важных результатов, в значительной мере определяющих уровень этого направления в мире. Заложены основы лазерной мессбауэровской спектроскопии ядерных гамма-переходов с временным разрешением, разработаны методы учета влияния когерентного поля на характер атомной релаксации. Предложены схемы реализации различных вариантов квантовых интерференционных эффектов и их аналогов в системах с коллективными степенями свободы: аналоги КПН и ЭИП для ансамблей свободных электронов в магнитном поле, акустически индуцированная прозрачность в ансамбле двухуровневых атомов, параметрически индуцированная прозрачность в оптически плотной трехуровневой среде (А. Г. Литвак, О. А. Кочаровская, Е. В. Радионычев, М. Д. Токман). Экспериментальные работы ИПФ РАН в этой области были связаны с высокоточной магнитометрией (в том числе бесконтактной КПН-магнитометрией термоядерной плазмы), радиочастотно-индуцированной прозрачностью для резонансного лазерного поля и исследованиями КПН и ЭИП в кристаллах, активированных ионами редкоземельных металлов (группа Р. А. Ахмеджанова). Последнее направление стало базой для современного развития в институте исследований в области разработки физических элементов квантовых информационных и телекоммуникационных технологий.
В настоящее время в ИПФ РАН реализуется экспериментальная программа по разработке твердотельных элементов квантовых информационных и телекоммуникационных систем. Пройдены следующие этапы, необходимые для построения квантового компьютера (системы связанных кубитов) и линий передач квантовой информации (цепочек квантовых повторителей):
• спектральная селекция (выделение группы частиц с неоднородной шириной линии, меньшей, чем сверхтонкое расщепление рабочих уровней);
• манипуляция населенностями сверхтонких (кубитовых) уровней;
• контролируемый сдвиг линии поглощения одной спектрально выделенной группы ионов при возбуждении другой.
 |
Экспериментальная реализация квантовой памяти на фотонном эхе в атомной частотной гребенке.
Слева — атомная частотная гребенка на оптическом переходе
3H4(1)—1D2(1) в кристалле Pr3+:LaF3.
Справа — сигнал фотонного эха (красная линия) и импульс, прошедший через среду в отсутствие атомной частотной гребенки (черная линия) |
Показано, что возможно существенное усиление эффекта ЭИП, при использовании специально приготовленного (селективно отсортированного по частоте внутри неоднородного контура) ансамбля частиц. Реализована квантовая память на спектральной решетке ионов редкоземельных металлов, внедренных в неорганический кристалл.
В области теории в последние годы предложена схема генерации коррелированных квантовых состояний разночастотных фотонов в оптически плотных ансамблях трехуровневых атомов, управляемых когерентной оптической накачкой. Разработана техника моделирования диссипативной динамики кубитов квантовым методом Монте-Карло (создано консольное кроссплатформенное приложение, поддерживающее параллельные вычисления и реализуемое на кластерных системах).
Еще одним многообещающим направлением развития исследований квантовых интерференционных эффектов в сплошных средах оказался предложенный в ИПФ РАН новый подход к получению сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения в широкой области частот — от инфракрасного до рентгеновского диапазона. Этот подход основан на использовании резонансного взаимодействия электромагнитного излучения с атомными переходами в условиях, когда управляющее нерезонансное лазерное поле осуществляет пространственно-временную модуляцию частот и ширин спектральных линий квантовых переходов благодаря эффектам Штарка или Зеемана и туннельной ионизации атомов из возбужденных состояний.
Предсказана возможность формирования как последовательности, так и одиночных импульсов длительностью до 700 ас на длине волны 122 нм
в среде атомов водорода, а также до 60 ас на длине волны 13,5 нм (т. е. около двух периодов поля) в среде ионов лития Li2+.
|
|
Эффективная конверсия монохроматического излучения накачки в полихроматическое излучение с коррелированными компонентами в плотной среде трехуровневых атомов |
Резонансное формирование одиночного импульса в среде атомов водорода.
На вставке показана схема модуляции частот и ширин переходов под действием управляющего поля |