Квантовые корреляции импульсного излучения вырожденного параметрического генератора света с синхронной накачкой

Актуальность работы. Данная работа посвящена теоретическому исследованию неклассических свойств (квантовое сжатие и корреляции) импульсного оптического излучения, источником которого является вырожденный параметрический генератор света с синхронной фемтосекундной накачкой, работающий как ниже, так и выше порога генерации. Тема работы лежит на пересечении таких областей физики, как нелинейная и квантовая оптика, а также связана с теорией квантовой информации.

Разработка и исследование эффективных источников излучения с неклассическими характеристиками (перепутанного и сжатого света, света с негауссовской статистикой) являются одними из направлений развития современной квантовой оптики. Причина в том, что неклассический свет является неотъемлемым ресурсом оптических схем, реализующих квантовые протоколы передачи и обработки информации такие как квантовая телепорта-ция, плотное кодирование, квантовые вычисления. Оптические схемы, реализующие передачу квантового ключа, сегодня является коммерческим кваптово-криптографическим продуктом.

В последние годы существенное развитие получили исследования мпогомодового (в пространстве или во времени) неклассического излучения. Применение такого излучения позволяет увеличить информационную емкость квантовых протоколов за счет параллельной передачи и обработки квантовой информации. С его использованием предложены протоколы квантовой телепортации и плотного кодирования для оптических изображений. Такой свет дает выигрыш в точности в оптической метрологии. Например в работе [1] было продемонстрировано измерение поперечного положения лазерного пучка с точностью, превышающей стандартный квантовый предел, обусловленный квантовыми флуктуации интенсивности излучения.

Многомодовый во времени неклассический свет также может быть использован для решения целого ряда задач. Например, в теоретической работе [2] показано, что применение импульсного источника многомодового сжатого излучения позволяет преодолеть стандартный квантовый предел при измерении временных задержек с точность порядка Ю-21 — 10−24с, что является временным аналогом указанного позиционирования лазерного пучка. В работе [3], используя излучение вырожденного параметрического генератора света с непрерывной накачкой, получена частотная гребенка (frequency comb), двенадцать компонент которой обладают квантовым сжатием. Используя гребенку, продемонстрирована параллельная передача сигнала с улучшенным отношением сигнал/шум. В работе [4] в качестве масштабируемого ресурса для реализации квантовых вычислений предложено использовать квантовые состояния продольных мод излучения параметрического генератора света.

Наиболее распространенным источником неклассического излучения на сегодняшний день является параметрический генератор света (ПГС), в основе которого лежит процесс параметрического преобразования фотона накачки в сигнальный и холостой фотоны в кристалле с квадратичной нелинейностью. Однако если ПГС с непрерывной накачкой подробно исследован как теоретически, так и экспериментально [5], то квантовые свойства импульсного ПГС до сих пор изучены в меньшей степени. Особый интерес представляет синхронно накачиваемый ПГС, в котором период импульсов внешней накачки согласован со временем обхода импульсами резонатора генератора. В этой конфигурации эффективность параметрической генерации пар фотонов и, соответственно, квантовых эффектов увеличена по двум причинам — благодаря высокой пиковой мощности накачки и усилению поля внутри резонатора генератора.

Квантовые характеристики излучения такого источника теоретически рассматривались в работе [6]. Используя модовый подход и ограничиваясь рассмотрением допорого-вого режима работы генератора, было показано, что квантовое состояние сигнального излучения является либо многомодовым сжатым, либо многомодовым перепутанным, что делает ПГС с синхронной накачкой привлекательным в качестве ресурса многомодового неклассического света.

Сказанное выше свидетельствует об актуальности темы диссертации, так как исследования источников неклассического и, в частности, многомодового неклассического излучения являются важными темами современной научно-исследовательской работы. В этой области заняты ведущие мировые теоретические и экспериментальные группы.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование квантово-статистических характеристик излучения параметрического генератора света с фемтосе-кундной синхронной накачкой в двух режимах работы: ниже параметрического порога и выше. Для этого рассматривались и решались следующие задачи:

1. Вывод уравнений для коллинеарного вырожденного параметрического взаимодействия накачивающего и сигнального импульсов в нелинейном кристалле с квадратичной дисперсией в приближении плоских волн.

2. Количественная оценка (на основе экспериментальных данных) применимости в задаче распространения следующих приближений: приближение заданного поля, группового синхронизма, пренебрежение дисперсией групповых скоростей. Решение уравнений взаимодействия в рамках указанных приближений.

3. Описание эволюции квантованного поля в оптическом резонаторе на основе временного подхода.

4. Построение квантовой теории двухрезонаторного вырожденного параметрического генератора света, описывающей во временном подходе эволюцию импульсов накачивающего и сигнального полей в условиях внутрирезонаторной синхронной накачки тонкого нелинейного кристалла, на основе уравнений Гайзенберга-Ланжевена.

5. Решение уравнений в допороговом и надпороговом режимах работы ПГС. Расчет парных временных корреляторов для импульсов выходных полей.

6. Теоретический анализ балансного гомодинного детектирования импульсных полей ПГС. Расчет спектров квантовых шумов квадратурных компонент полей в обоих режимах работы ПГС.

Научная новизна.

1. Развит временной подход для описания модели вырожденного ПГС с синхронной накачкой. Построены уравнения Гайзенберга-Ланжевена, описывающие эволюцию квантованных огибающих накачивающего и сигнального импульсов внутри резонатора генератора.

2. Исследованы временные квантовые корреляции импульсного сигнального поля в допороговом режиме.

3. Показано установление квантовых корреляций между импульсами со следующими особенностями: квантовые флуктуации квадратур поля независимы в каждом отдельном импульсе и коррелированы между импульсами для моментов времени, одинаково отстоящих от центров импульсов.

4. Впервые проведен анализ квантовых шумов излучения системы выше параметрического порога. Как и в допороговом режиме определены корреляции импульсов сигнального поля, выходного поля накачки, а также перекрестные корреляции полей.

5. Показано, что при балансном гомодинном детектировании фазовых квадратур сигнального поля и накачивающего поля (выше параметрического порога) с использованием импульсного локального осциллятора корреляции между импульсами приводят к подавлению квантового шума в спектре флуктуаций полей вблизи частот кратных частоте следования импульсов.

6. Изучена зависимость измеряемого подавления шумов от временных параметров импульсов локального осциллятора. Установлены условия оптимальные для наблюдения максимального квантового эффекта ниже и выше параметрического порога.

Практическая значимость Установленные свойства импульсного излучения ПГС следует учитывать при реализации эксперимента по хранению неклассического импульсного света в квантовой памяти. Предложен способ наблюдения квантовых корреляций между импульсами в схеме балансного гомодинного детектирования излучения. Развитый временной подход дает физически наглядную картину работы ПГС, позволяет определить и количественно оценить основные параметры системы, что актуально при проведении соответствующего эксперимента. Физическая модель привязана к параметрам эксперимента по генерации многомодового во времени квантового света. Также уравнения, описывающие работу ПГС, могут быть обозримым образом модифицированы для учета таких экспериментальных эффектов, как фазовая модуляция и смещение фазы между несущей и огибающей импульсов накачки, перезонансность резонатора, песинхронность накачки и одиорезопансный режим генерации.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Физическая модель вырожденного ПГС с синхронной накачкой.

2. Теория ПГС, развитая во временном подходе на основе уравнений Гайзенберга-Лан-жевена с использованием формализма двух времен.

3. Расчет и анализ парных временных корреляторов квадратурных компонент импульсного сигнального поля в допороговом режиме работы ПГС.

4. Расчет и анализ парных временных корреляторов квадратурных компонент накачивающего и сигнального полей в режиме генерации ПГС.

5. Модель балансного гомодинного детектирования импульсного поля. Расчет подавления квантовых шумов в спектре флуктуаций квадратур накачивающего и сигнального полей ПГС.

6. Анализ зависимости подавления шумов от параметров импульсов локального осциллятора.

Апробация работы По материалам диссертации выполнены доклады на следующих конференциях и научных семинарах:

• 2nd German-French-Russian Laser Symposium 2011 (Go/3wemstein, Germany, on April 14−17, 2011).

• Ultracold Atoms, Metrology and Quantum Optics (Les Houches, France, on September ¦ 12−24, 2010).

• HIDEAS, First Scientific Meeting (Leiden, Netherlands, on September 14−16, 2009).

• 17th annual international Laser Physics Workshop LPHYS'08 (Trondheim, Norway, on June 30 — July 4, 2008).

• Third Russian-French Laser Physics Workshop for Young Scientists (St. Petersburg, Russia, on September 22 — 27, 2008).

• а так же на городском межинститутском семинаре по квантовой оптике при РГПУ им. А. И. Герцена, на семинаре группы квантовой оптики лаборатории Кастлер-Брос-сел университета Пьера и Марии Кюри (Париж, Франция).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 2 статьи в рецензируемых журналах [7, 8] и 3 тезиса докладов на международных конференциях [9−11].

Личный вклад автора Основные результаты, представленные в диссертации, получены автором личновыбор общего направления исследования, обсуждение и постановка рассматриваемых задач осуществлялись совместно с научным руководителем.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, пяти глав, заключения и двух приложений. Полный объем диссертационной работы составляет 90 страниц текста, в том числе 12 рисунков и 75 наименований в списке литературы.