Когерентная квантовая оптика и информационные технологии
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.
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.
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+.
