МК-2743.2008.2

Аннотированный отчет МК – 2743.2008.2
«Исследование новых источников пространственно перепутанного
света для квантовой оптики и квантовой информатики»
Иванов Д.А.
На данном этапе выполнения проекта рассматривалась проблема генерации
квадратурно-сжатого света единичным лазером с внешней синхронизацией классическим
(когерентным) полем. Предполагалось, что накачка этого лазера может осуществляться как в
пуассоновском, так и в строго регулярном режимах. Как известно, при обеспечении
регулярности накачки лазера возможна так называемая суб-пуассоновская генерация, при
которой флуктуации числа фотонов лазерного излучения ниже чем в классическом
(когерентном) поле. Однако из-за фазовой диффузии фаза такого поля и квадратурные
компоненты оказываются неопределенными, что затрудняет использование таких лазеров в
приложениях связанных с квантовой информацией.
В ходе работы было обнаружено, что введение достаточно слабого внешнего
когерентного поля в резонатор лазера, генерирующего в суб-пуассоновском режиме,
позволяет не только осуществить захват фазы, но и сохранить неклассические свойства
излучения. Тем самым нами было показано, что рассматриваемая система способна
осуществлять генерацию квадратурно-сжатого света. Для успешной реализации этого
режима генерации в лазере, работающем высоко над порогом, необходимо одновременное
выполнение
2-х
условий.
Во-первых,
отношение
интенсивности
внешнего
синхронизирующего поля к интенсивности поля генерации должно быть много меньше
единицы чтобы не нарушать квантово-статистических свойств излучения субпуассоновского лазера. Во-вторых, произведение среднего числа фотонов поля генерации на
среднее число фотонов синхронизирующего поля должно быть существенно больше
единицы чтобы обеспечить необходимый захват фазы. Было показано, что одновременное
выполнение этих условий всегда возможно при достаточном увеличении средней скорости
накачки. Эти результаты были получены на основании анализа уравнений ГейзенбергаЛанжевена для операторов поля лазера, операторов населенности лазерных уровней и
оператора поляризации. Анализ квантовых флуктуаций квадратурных компонент проводился
с использованием линеаризации уравнений около стационарных квазиклассических
решений. На основании полученных результатов была исследована возможность применения
синхронизированных суб-пуассоновских лазеров в схемах плотного кодирования и
квантовой телепортации.
Помимо рассмотрения генерации в стационарном режиме было начато исследование
переходных процессов при становлении и переключении режимов генерации. Поскольку
аналитические решения в этом случае получить нельзя, для исследования переходных
процессов был выбран эффективный численный метод анализа открытых квантовых систем
– метод квантовых траекторий. Этот метод был специально адаптирован для лазерной задачи
с регулярной накачкой и переменным числом атомов активной среды. Для этого был
использован формализм вторичного квантования, в рамках которого атомы активной среды
описывались с помощью двух-модового квантового поля, моды которого соответствовали
верхнему и нижнему лазерным уровням. Метод был реализован на языке C++ и
протестирован на модельных задачах с известным аналитическим решением. Кроме того,
был рассмотрен особый режим, при котором включения когерентного синхронизующего
поля и начало лазерной накачки происходили одновременно. В этом случае достигается
такой режим стационарной генерации, при котором увеличение синхронизующего поля
приводит к понижению числа фотонов. Анализ флуктуаций квадратурных компонент
показал, что сжатие квадратуры в таком режиме не происходит. Для достижения сжатия,
предсказанного аналитическим рассмотрением, необходим режим генерации, при котором
число фотонов в резонаторе растет с увеличением интенсивности синхронизующего поля.
Достижение этого режима, по всей вероятности, возможно при включении синхронизации
уже после достижения стационарной генерации. Детальное исследование этого вопроса
будет проведено на следующем этапе работы над проектом.