Введение к работе
Актуальность темы. Проблема формирования, передачи и измерения неклассических поляризационных состояний света в оптических и атомно-оптических системах представляет собой фундаментальное направление в современной лазерной физике, квантовой и атомной оптике. Речь идет о свойствах квантованных световых полей с подавленным уровнем флуктуации его поляризационных характеристик, а также об ансамблях атомов, находящихся в сжатых (по флуктуациям спина) и/или перепутанных (entangled) многочастичных состояниях. Среди основных прикладных задач, где могли бы быть использованы такие состояния следует отметить проблему прецизионных квантовых измерений, квантовую криптографию, новые методы передачи и обработки информации. Поскольку эти задачи имеют смысл в условиях взаимодействия квантовых объектов с макроскопическими (классическими) приборами считывания информации, то необходимо иметь специальную процедуру измерений на квантовом уровне чувствительности. При этом для распространяющегося лазерного излучения особый интерес представляют пространственно-распределенные/периодические среды, которые находят широкое применение в современных системах фотоники и оптоэлектроники.
Рассматриваемые измерения возможны, во-первых, с помощью осуществления квантовых невозмущающих измерений (КНИ), которые в оптике реализуются на основе различных интерферометрических схем при формировании и детектировании поляризационно-сжатого (ПС) света с подавленным уровнем квантовых флуктуации его поляризационных характеристик. В этом случае наблюдаемыми величинами являются поляризационные параметры Стокса оптического поля, которые аналогичны компонентам спина частиц в атомной физике. Для практических приложений важное значение имеет задача формирования таких квантовых макроскопических поляризационных состояний светового поля в системах с однонаправленными распределенно-связанными волнами (ОРСВ), для которых имеется как линейный, так и нелинейный энергообмен между двумя распространяющимися ортогонально поляризованными модами. Это приводит к нелинейному эффекту самопереключения квантовых характеристик светового
поля, что позволяет предложить сверхбыстрые переключающие устройства для целей оптической обработки информации.
Во-вторых, - на основе атомно-оптических схем измерения в условиях формирования когерентных связанных состояний среды и поля. Такие макроскопические состояния реализуются в условиях бозе-эйнштейновской конденсации (БЭК) большого числа атомов при их охлаждении до сверхнизких температур, когда достигается высокая степень когерентности атомной системы в целом, взаимодействующей со световым полем. Это позволяет наблюдать коллапс и возрождение во времени волновой функции БЭК, замедление групповой скорости при распространении пробного лазерного импульса в среде, а также осуществить различные физические протоколы квантовой записи и хранения информации в связанной системе электромагнитное поле-среда.
Однако, несмотря на впечатляющие успехи в получении БЭК и возможности манипулирования атомами в этих условиях, необходимость поддерживания сверхнизких температур (порядка сотен нК) налагает принципиальные ограничения на перспективы реального использования конденсата атомов для целей обработки информации. В этой связи чрезвычайно актуальной становится задача получения при высоких (комнатных) температурах макроскопически когерентных связанных состояний квантованного поля и элементарных возмущений среды - поляритонов, которые с помощью методов КНИ могут быть использованы в практических схемах записи, хранения и считывания оптической информации.
Данная проблематика является предметом исследований в диссертации, проведенных в рамках единого подхода, позволяющего рассматривать как фундаментальные аспекты квантовых измерений, так и прикладные задачи в области прецизионных/предельных измерений (на уровне квантовых ограничений) их использования для целей обработки квантовой оптической информации.
Целью диссертационной работы является исследование макроскопических квантовых эффектов, возникающих в пространственно-периодических связанных оптических системах в условиях формирования неклассических поляризационных состояний света, и выяснения возможности их использования для проведения прецизионных измерений, а также квантовой обработки информации.
Основные решаемые задачи
-
Разработка методов подавления квантовых флуктуации в поляризационных характеристиках векторных световых полей в нелинейных пространственно-периодических средах.
-
Предложение новых схем квантовых поляризационных измерений в поляриметрии и эллипсометрии высокой чувствительности с использованием неклассического света.
-
Реализация квантового управления светом в пространственно-периодических оптических системах с использованием нелинейных эффектов переключения в поляризационных параметрах светового излучения.
-
Проведение исследований связанных атомно-по левых состояний и их временного поведения в ансамбле двух- и трехуровневых атомов в условиях их взаимодействия с квантованным световым полем в резонаторных схемах.
-
Разработка новых физических принципов оптической обработки и записи информации на основе формирования когерентных квантовых атомно-оптических состояний.
Научная новизна работы
Впервые предложены методы подавления квантовых флуктуации амплитудных, фазовых и поляризационных характеристик (параметров Стокса) лазерного излучения в двухмодовой нелинейной системе с однонаправленными распределенно-связанными волнами, а также схемы управления эффектом самопереключения квантовыми состояниями света в таких системах.
Разработаны новые схемы одновременных, а также квантовых невозмущающих измерений поляризационных параметров Стокса световых полей на основе неклассических состояний света.
Предложен новый способ квантовых измерений элементов матрицы когерентности оптических систем симметрии SU(3), основанный на использовании оригинального интерферометра, позволяющего проводить прецизионные измерения как амплитудных, так и фазовых характеристик лазерного излучения.
Развит новый подход к анализу стационарных связанных атомно-оптических квантовых состояний при взаимодействии электромагнитного поля с БЭК и обоснована возможность генерации нового типа фазово-коррелированных состояний электромагнитного поля и конденсата атомов.
Развита теория формирования когерентных атомно-оптических состояний - поляритонов, при осуществлении сильной связи между двухуровневой атомной средой, помещенной в резонатор, и лазерным полем, для которых определены условия реализации квазиконденсации, а также истинной конденсации Бозе-Эйнштейна.
Предложены новые физические принципы оптической обработки информации в двух- и трехуровневых атомных системах, взаимодействующих с лазерным излучением, основанные на оригинальных протоколах квантовой записи, копирования/клонирования и хранения информации.
Научная и практическая значимость работы
Обоснованы фундаментальные принципы проведения прецизионных измерений в поляризационных характеристиках света на уровне квантовых ограничений при атомно-оптических взаимодействиях в пространственно-периодических системах. Согласие полученных результатов теории с имеющимися в литературе экспериментальными данными позволяет сделать вывод о научной обоснованности и достоверности выводов диссертации. Рассмотренные схемы поляриметров по квантовым измерениям поляризационных параметров Стокса светового поля, а также его фазовых характеристик позволяют предложить новые подходы к проведению прецизионных поляризационных (эллипсометрических) измерений в лазерной физике. Полученные результаты в части исследования новых физических принципов обработки, передачи и хранения квантовой оптической информации с использованием поляризационных состояний света могут быть использованы при разработке соответствующих устройств фотоники.
Научное направление, которое развито в диссертации
Квантовые измерения на основе неклассических поляризационных состояний света при когерентных атомно-оптических взаимодействиях в пространственно-периодических системах.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Формирование поляризационно-сжатого света с подавленным уровнем флуктуации одного из фазовозависящих поляризационных параметров Стокса происходит за счет эффективной линейной и нелинейной перекачки энергии между ортогонально поляризованными модами лазерного излучения в оптических системах с однонаправленными распределенно-связанными волнами - в пространственно-периодических и туннельно-связанных средах с кубической нелинейностью.
-
Предельная точность (на уровне квантовых ограничений) прецизионных эллипсометрических измерений в лазерной физике достигается при реализации квантовых невозмущающих измерений поляризационных параметров Стокса (разности фаз двухмодовых оптических полей) в пространственно-периодических средах с использованием поляризационно-сжатого света.
-
Управление эффектом самопереключения света в системах с однонаправленными распределенно-связанными волнами зависит как от свойств нелинейной среды, так и от исходных квантовых состояний светового поля (флуктуации числа фотонов), которые определяют фундаментальные ограничения при реализации процесса управления.
-
Формирование стационарных перепутанных атомно-полевых состояний при взаимодействии лазерного излучения с двух- трехуровневыми атомами, помещенными в резонатор, приводит к эффективной генерации квадратурно-сжатого света и к возникновению квантового вырожденного двумерного газа поляритонов, что может быть использовано в системах квантовой записи и хранения информации.
Апробация работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 54 статьях, в том числе в 43 публикациях из перечня изданий, рекомендованных ВАК России. Результаты работы докладывались на Международных конференциях по квантовой оптике - ICQO (Минск - 2002, 2004, 2006, Раубичи - 2000), на Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике - ICONO (С.-Петербург - 1995, Минск -2001, 2007); на Международных конференциях по оптике лазеров - LO (С.Петербург - 1993, 1998, 2000); на Международных конференциях по квантовой электронике - IQEC/LAT (Глазго (Великобритания) - 1998, Москва - 2002); на Международных конференциях по сжатым состояниям и
соотношениям неопределенности - ICSSUR (Балатонфюр (Венгрия) - 1997, Неаполь (Италия) - 1999, Бостон (США) - 2001, Безансон (Франция) - 2005); на Российско-Германских лазерных симпозиумах - RGLS (Суздаль - 2000, Эрланген (Германия) - 2002); на Российско-Французских лазерных симпозиумах - RFLS (Суздаль - 2001, Москва - 2003, Ницца (Франция) -2005, Нижний Новгород - 2009); на 11-ом Международном симпозиуме SPIE "Aerospace/Defense Sensing, Simulation, and Controls" (Орландо (США) - 1997); на Международных симпозиумах по современным проблемам лазерной физики - MPLP (Новосибирск - 1997, 2000, 2008), на Всероссийских семинарах по квантовой оптике памяти Д.Н. Клышко (Москва - 2005, 2007, 2009); на школе-семинаре для молодых ученых "Квантовые измерения и физика мезоскопических систем" - КИФМС2005 (Суздаль-Владимир - 2005).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, двух приложений и списка литературы, содержащего 214 наименования. Полный объем диссертации - 370 страниц, включая 64 рисунка, 2 таблицы и 2 Приложения.
Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем участии в постановке задачи, выборе теоретических методов расчета и подготовке публикаций. Имеется согласие соавторов на использование материалов совместных публикаций.
