Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
АЛОДЖАН - Александр Павлович
АЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННЫЕ НЕКЛАССИЧЕСКИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ СОСТОЯНИЯ СВЕТА В ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СВЯЗАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ И АТОМНЫХ СИСТЕМАХ И КВАНТОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Специальность 01.04.21 - лазерная физика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Владимир, 2008
Работа выполнена на кафедре физики и прикладной математики Владимирского государственного университета
Научный консультант: Доктор физико-математических наук, профессор Аракелян Сергей Мартиросович
Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук, профессор Вятчанин Сергей Петрович Доктор физико-математических наук, профессор Быков Владимир Павлович Доктор физико-математических наук, Юдин Валерий Иванович
Ведущая организация: Институт спектроскопии РАН
Защита состоится " " _____________ 2009г. в 16.00 часов в аудитории имени С.А. Ахманова корпуса нелинейной оптики на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.
Автореферат разослан "___"_____________ 2009г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.доцент Т.М. Ильинова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Проблема формирования, передачи и измерения неклассических поляризационных состояний в оптических, а также в макроскопических атомных системах представляет собой фундаментальное направление в современной лазерной физике, квантовой и атомной оптике. Здесь речь идет, в первую очередь, о свойствах квантованных векторных многомодовых световых полей с подавленным уровнем флуктуаций его поляризационных характеристик, а также ансамбля атомов, находящегося в сжатом (по флуктуациям спина) и/или перепутанном многочастичном состоянии. Среди основных прикладных задач, где могли бы быть использованы такие состояния квантовых систем, в первую очередь следует выделить квантовую криптографию, связанную с новыми методами передачи и обработки информации и использующей фундаментальные принципы квантовой физики. Поскольку сами эти методы имеют смысл лишь в тесной связи взаимодействия объектов микромира с макроскопическими (классическими) приборами считывания информации, то необходимо иметь специальную процедуру измерений на предельном (квантовом) уровне чувствительности, каковой, например, являются квантовые невозмущающие измерения (КНИ) в оптике. Возможным решением этой задачи могут служить, во-первых, различные интерферометрические способы формирования и детектирования поляризационных характеристик светового поля на основе неклассических, в том числе, поляризационно-сжатых (ПС) состояний с подавленным уровнем квантовых флуктуаций параметров Стокса. Это направление является одним из предметов исследования в диссертации.
Во-вторых, среди достижений оптической науки на этом пути следует отметить наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации (БЭК), которое стало возможным благодаря существенному лазерному лохлаждению макроскопически большого числа атомов до температур порядка сотен нК. Конденсат атомов, который на сегодняшний день принято считать новым состоянием материи, характеризуется высокой степенью когерентности атомной системы, что позволяет проводить целый ряд принципиально новых экспериментов. Для таких квантовых состояний вещества происходит, например, коллапс и возрождение во времени волновой функции БЭК, наблюдается замедление групповой скорости при распространении пробного оптического импульса, а также эффекты пленения и квантовой памяти в связанной системе поле-среда.
Однако, несмотря на впечатляющие успехи в плане получения и манипуляции атомами в условиях БЭК, необходимость поддерживания сверхнизких температур налагает принципиальные ограничения на возможность реального использования конденсата атомов, например, для целей обработки и хранения информации. В этой связи чрезвычайно актуальным становится вопрос о получении макроскопически когерентных связанных состояний вещества и квантованного поля в результате когерентного взаимодействия электромагнитного излучения с резонансной средой при высоких (комнатных) температурах.
На сегодняшний день одним из наиболее привлекательных подходов для решения данного вопроса является реализация квазиконденсации двумерного слабовзаимодействующего бозе-газа поляритонов, представляющих когерентную суперпозицию возмущений двухуровневой атомной системы и квантованного поля резонатора. Здесь фактически речь идет о так называемом фазовом переходе Костерлица-Таулеса (Kosterlitz-Thouless) к сверхтекучему состоянию двумерных бозесистем, для которых истинная (true) бозе-эйнштейновская конденсация в отсутствии удержания частиц газа в ловушке невозможна. В диссертации развита квантовая теория бозе-эйнштейновской конденсации поляритонов, возбуждаемых во внутрирезонаторной поглощающей ячейке с резонансными атомами, и проявляющаяся в спектральных характеристиках такой системы. На основе методов и подходов, принятых в теории квантовых невозмущающих измерений, выяснены условия, при которых такие связанные состояния среды и поля могут быть использованы для целей записи (клонирования), хранения и считывания квантовой оптической информации, содержащейся в непрерывных переменных светового поля - его эрмитовых квадратурах.
Тесно связана с рассматриваемыми вопросами также проблема создания полностью оптических устройств обработки информации. Основным преимуществом подобных устройств является повышение быстродействия по сравнению с электрооптическими, акустооптическими и т.п. элементами. В этом смысле заслуживает особого внимания задача формирования квантовых макроскопических состояний светового поля в системах с однонаправленными распределенно-связанными волнами (ОРСВ). Наблюдаемый в таких системах нелинейный эффект самопереключения света позволяет предложить сверхбыстрые переключающие устройства для целей оптической связи и оптической обработки информации. Кроме того, имеющаяся аналогия в математическом описании ОРСВ и целого ряда систем в других областях физики, таких как сверхпроводимость, атомная оптика, позволила также исследовать в диссертации фундаментальные вопросы сверхтекучего поведения поляритонов в условиях атомно-оптического взаимодействия.
Таким образом, все вышеизложенное и определяет актуальность темы настоящей работы.
Целью диссертационной работы являлось исследование коллективных лазерно-индуцированных эффектов, возникающих в процессе взаимодействия электромагнитных, в том числе векторных световых полей с атомными средами и оптическими системами с распределенно-связанными волнами при формировании и измерении квантовых поляризационных состояний света. Результаты проведенных исследований направлены как на разработку новых физических принципов обработки квантовой оптической информации, так и прецизионных измерений с поляризационными характеристиками света на уровне квантовых ограничений.
Основные проблемы, рассматриваемые в работе:
1. Исследование механизмов развития квантовых флуктуаций поляризационных характеристик векторных (многомодовых) световых полей и их корреляций в нелинейных пространственно-периодических средах.
2. Разработка новых оптических схем квантовых прецизионных измерений поляризационных параметров Стокса, а также фазовых характеристик лазерного излучения в задачах поляриметрии и эллипсометрии предельной (на уровне квантовых шумов) чувствительности на основе неклассических состояний светового поля.
3. Изучение нелинейных эффектов переключения в поляризационных характеристиках света и квантовое управление светом в пространственнопериодических нелинейных оптических системах.
4. Исследование лазерно-индуцированных нелинейных динамических процессов в квантовом ансамбле двухуровневых атомов в условиях формирования когерентных квантовых состояний, в том числе бозе-эйнштейновской конденсации (БЭК).
5. Разработка новых физических принципов оптической обработки и записи информации на основе когерентных квантовых атомно-оптических нелинейных взаимодействий.
Научная новизна работы:
1. Впервые предсказаны эффекты подавления квантовых флуктуаций амплитудных, фазовых и поляризационных характеристик (параметров Стокса) лазерного излучения в двухмодовой нелинейной системе с однонаправленными распределенно-связанными волнами (ОРСВ), а также предложены схемы управления эффектом самопереключения света.
2. Разработаны новые физические принципы реализации предельных измерений (на уровне квантовых ограничений) поляризационных параметров векторных световых полей на основе поляризационно-сжатых состояний света в схемах квантовых невозмущающих измерений параметров Стокса, а также в схемах с использованием четырехканального поляриметра для одновременного/параллельного измерения поляризационных характеристик лазерного излучения.
3. Впервые предложен новый способ операциональных квантовых измерений (томографии) элементов матрицы когерентности в оптических/атомных системах симметрии SU(3) с помощью одновременного определения параметров Гелл-Манна с использованием оригинального интерферометра, позволяющего проводить измерения как амплитудных, так и фазовых характеристик лазерного излучения.
4. Развита нелинейная теория формирования стационарных атомно-оптических квантовых состояний в условиях проявления динамических процессов при взаимодействии электромагнитного/радиочастотного поля с многоатомным БЭК и обоснована возможность генерации нового типа связанных фазовокоррелированных состояний электромагнитного поля и конденсата атомов.
5. Предсказан эффект бозе-эйнштейновской конденсации поляритонов в условиях сильной связи между двухуровневой атомной средой, помещенной в резонатор, и лазерным полем при реализации индуцированного полем фазового перехода Костерлица-Таулеса.
6. Развиты новые методы и подходы для оптической обработки информации, основанные на предложенных протоколах квантовой записи, клонирования и хранения информации, содержащейся в квадратурах светового поля, с помощью двух- и трехуровневых атомных систем, взаимодействующих с лазерным излучением в условиях формирования светлых и темных поляритонов.
Научная и практическая значимость работы.
Полученные результаты носят фундаментальный характер. Они представляют большой научный интерес в связи с теоретическими предсказаниями и детальным изучением качественно новых эффектов, возникающих при взаимодействии квантованного светового излучения с веществом. Согласие результатов теории с имеющимися экспериментальными данными позволяют сделать вывод о научной обоснованности и достоверности полученных результатов. Предложенные схемы поляриметров по квантовым измерениям параметров Стокса светового поля, а также его фазовых характеристик позволяют разработать новые методы прецизионных поляризационных/эллипсометрических измерений при исследовании тонких пленок, поверхностных слоев вещества в рамках лазерной физики, а также развивающихся направлений современных нанотехнологий. Результаты могут быть также крайне важными в плане разработки новых физических принципов обработки, передачи и хранения квантовой оптической информации с использованием поляризационных состояний света.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В нелинейных оптических системах с однонаправленными распределенносвязанными волнами - в пространственно-периодических и туннельносвязанных кубически нелинейных средах, возможно формирование поляризационно-сжатого света с подавленным уровнем флуктуаций одного из фазовозависящих поляризационных параметров Стокса светового поля за счет эффективной линейной и нелинейной перекачки энергии между ортогонально поляризованными модами лазерного излучения.
2. Квантовые флуктуации оптического излучения определяют фундаментальные ограничения для наблюдения нелинейного эффекта самопереключения света в системах с однонаправленными распределенно-связанными волнами, которые зависят от свойств рассматриваемой оптической нелинейной среды и от исходных квантовых состояний светового поля (уровня флуктуаций числа фотонов), и которые формируют оптимальные условия самопереключения.
3. Условием реализации в лазерном поле квантовых невозмущающих измерений поляризационных параметров Стокса (разности фаз двухмодовых оптических полей) в пространственно-периодических нелинейных средах является использование поляризационно-сжатого света на входе в среду.
4. Связанные квантовые состояния, возникающие в процессе нелинейного взаимодействия лазерного излучения с двух/трехуровневыми атомами, помещенными в резонатор, определяют формирование в среде стационарных перепутанных атомно-полевых состояний с возбуждением распространяющихся когерентных коллективных (спиновых) возмущений среды, которые приводят к эффективной генерации квадратурно-сжатого света в моде пробного светового поля, а также к возникновению бозе-эйншейновской конденсации двумерного газа поляритонов.
Апробация работы. Основное содержание диссертации опубликовано в статьях, в том числе в 29 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); 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); на Школе-семинаре для молодых ученых УКвантовые измерения и физика мезоскопических системФ (КИФМСТ2005, 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 - 372 страницы, включая 64 рисунка, 2 таблицы и Приложения.
ичный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем участии в постановке задачи, теоретических методов расчета и подготовке публикаций. Имеется согласие соавторов на использование материалов совместных публикаций.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также изложены основные защищаемые положения и краткое содержание диссертации.
В первой главе представлен обзор работ и основных результатов по теме диссертации, известных из литературы.
В параграфе 1.1. описаны имеющиеся результаты по исследованию проблемы формирования сжатых состояний света. Особое внимание уделено интерферометрическим схемам формирования таких состояний. Приведены основные способы описания квантовых поляризационных состояний векторного светового поля, причем основной акцент сделан на параметрах Стокса, являющихся измеримыми в эксперименте величинами и определяемых выражениями:
Ж Ж Ж Ж S0 = a1 a1 + a2a2, S1 = a1 a1 - a2a2, (1а,б) ЖЖ ЖЖ S2 = a1 a2ei + a2a1e-i, S3 = i(a2a1e-i - a1 a2ei). (1в,г) Ж где - классическая фаза. Операторы уничтожения a1,2 и рождения - a1,соответствуют ортогонально поляризованным компонентам поля - линейно или циркулярно поляризованным. Аналогично операторам углового момента (спина), операторы S j = 0,1,2,3 удовлетворяют коммутационным соотношениям симметрии j SU(2) алгебры Ли. Трое из них, а именно, S1,2,3 не коммутируют между собой и не могут быть в общем случае одновременно и точно измерены. На рис.1 приведена качественная картина, иллюстрирующая результат измерения состояния поляризации света с учетом флуктуаций углов поляризации и на сфере Пуанкаре. Для векторного светового поля, находящегося в когерентном состоянии дисперсии его параметров Стокса равны:
2 S = S2 - S = N, (2) ( ) jj j ЖЖ где N = a1 a1 + a2a2 - общее среднее число фотонов в поляризационных модах.
Геометрически когерентное поляризационное состояние на сфере Пуанкаре можно представить в виде шарообразной области неопределенности (1) - см. рис.1.
Таким образом, в квантовой оптике точность поляризационных измерений (детектирования) параметров Стокса S1,2,3, а также углов и , осуществляемых на основе тех или иных интерферометрических методов, принятых в эллипсометрии и поляриметрии, всегда ограничена флуктуациями поляризационного состояния светового поля, регистрируемого детектором, и не может быть улучшена выше некоторого уровня. Определение этого предельного уровня, учитывающего как квантовую интерференцию для различных квантовых поляризационных состояний света, так и вносимые аддитивные шумы, и есть одна из основных задач исследования в диссертации.
.
Рис.1. Геометрическое представление процедуры измерения квантовой поляризации на сфере Пуанкаре; (1) и (2) - неопределенность (ошибка) измерения для когерентного и поляризационно-сжатого состояний соответственно; r, и , - неопределенности вектора поляризации, а также поляризационных углов (эллипсометрических параметров) и , соответственно.
В параграфе 1.2. сделан обзор работ, посвященных формированию неклассических состояний для атомных систем, находящихся в условиях бозеконденсации. Приведены основные приближения, используемые для теоретического описания конденсата атомов. Особое внимание уделено вопросам формирования в атомной среде квантовых возмущений - поляритонов верхней и нижней дисперсионных ветвей, а также фазовым переходам в двумерной системе таких квазичастиц.
В параграфе 1.3 сделан обзор работ, посвященных разработке оптических переключающих устройств, на основе однонаправленных распределенно-связанных волн. Приведены основные уравнения, описывающие ОРСВ, распространяющиеся в кубично-нелинейной среде, выполнен переход к квантовому описанию таких систем.
Во второй главе изложены результаты автора по способам получения неклассических макроскопических и мезоскопических поляризационных состояний света.
В параграфе 2.1 решена задача об формировании поляризационно-сжатого света с подавленными флуктуациями одного из фазовозависящих параметров Стокса ( Sили S3 ) в системах с распределенно-связанными волнами. Здесь речь, во-первых, идет о пространственно-периодических (подкрученных) двулучепреломляющих оптических волокнах, где связь между ортогонально поляризованными модами осуществляется по всей длине волокна. Показано, что в таких средах как состояние поляризации светового излучения, так и преобразование его флуктуаций на выходе определяется величинами LB и LNL, имеющими смысл характерных пространственных масштабов линейного энергообмена между двумя модами, а также нелинейного взаимодействия волн, определяемого тензором кубичной нелинейной восприимчивости оптического волокна.
Геометрически поляризационно-сжатое состояние может быть представлено серповидной областью (2) на сфере Пуанкаре - см. рис.1. На рис.2 приведена трехмерная зависимость для нормированной дисперсии параметра Стокса как функций от начальной фазы и эффективного нелинейного набега фазы. В общем случае величина 3 демонстрирует осцилляции в зависимости от указанных величин. При этом поляризационно-сжатому свету соответствуют значения дисперсий, меньших единице, которая соответствует дисперсиям параметров Стокса для когерентного = излучения на входе в среду при.
В параграфе 2.2. рассмотрена задача о получении рассматриваемых неклассических состояний света в нелинейном интерферометре Маха-Цендера.
Выяснены условия оптимального подавления флуктуаций параметров Стокса в зависимости от длины плеч интерферометра, состояния поляризации на его входе, а также величины и знака кубично-нелинейных сред, помещенных в интерферометр.
В параграфе 2.3 предложено новое определение степени поляризации P, а также степени деполяризации D светового излучения в квантовой оптике, которое связано с флуктуациями вектора Стокса S(S1,S2,S3) :
D S S, (3а) ( ) 1/ P 1- D2 = Sj / S2 . (3б) j j=1 j= Рис.2. Трехмерные зависимости нормированной дисперсии параметра Стокса 2 =как функций от нелинейного параметра и фазы . Значение j соответствует когерентному уровню дисперсий параметров Стокса.
Геометрически флуктуациям вектора S, а следовательно и деполяризации D светового излучения соответствует величина r на сфере Пуанкаре - см. рис.1. При таком подходе степень поляризации когерентного, сжатого и фоковского двухмодовых состояний существенно зависит от среднего числа фотонов N в поляризационных модах, а вакуумное поле остается не поляризованным. В пределе N 1, величина P .
В параграфе 2.4 в рамках представления Шредингера (в приближении Хартри) развита квантовая теория формирования мезоскопических состояний светового поля для системы ОРСВ с гамильтонианом взаимодействия Ж Ж Ж 2 Ж 2 Ж Ж HI = R a1a2 + a2a1 + 1 a1 a1 + a2 a2 + 212a1a1a2a2, (4) () ( ) ( ) {} Ж где a1,2 ( a1,2 ) - операторы уничтожения (рождения) для мод 1,2; R, 1, 12 - характерные частоты процессов линейного энергообмена, самовоздействия и кроссвзаимодействия. Проанализированы два практически важных случая исходных состояний квантовой системы при 1 12.
Во-первых, это макроскопическое двухмодовое перепутанное состояние с общим (фиксированным) числом фотонов N, представляемое в виде:
N ЖЖ =1 a1 + 2 a2 0. (5а) ( ) ( ) ( ) () N N! Во-вторых, рассматривается обычное двухмодовое когерентное состояние, имеющее вид:
n1 nN N1 N2 ( ) ( ) = e n1 n2, (5б) ( ) coh n1! n2! n1=0 n2 =1,где 0 0 0, 1,2( ) = 1,2 ei - функции, явный вид которых определяется 1 вариационным методом и для которых выполняется условие нормировки 1( )2 + 2( )2 = 1; N - общее среднее число фотонов в обеих модах. Показано, что по своим статистическим характеристикам макроскопическое квантовое состояние (5а) сочетает как свойства обычных двухмодовых фоковских состояний, так и свойства поляризационно-сжатых состояний в зависимости от управляющего параметра задачи B, определяемого как B = (N -1)(12 -1), (6) где 1 1 R, 12 12 R. Физически управляющий параметр задачи B может быть также выражен через отношение величин LB LNL.
В параграфе 2.5 рассмотрена динамика квантовой системы, описываемой гамильтонианом (4), с учетом состояний (5). При этом значение B определяет как набор стационарных состояний системы, возможные динамические режимы, так и области неклассического поведения квантовых флуктуаций оптических мод. На основе полученных решений предсказана принципиальная возможность формирования мезоскопических суперпозиционных состояний типа Шредингеровской кошки, вектор состояний которых определяется как:
() = C () (), (7) ( ) NN N где C нормировочный множитель, вектора () определяются выражениями (5а) N и характеризуют два возможных стационарных состояния системы. Физически здесь речь идет о достаточно деликатных системах с большим (в пределе - бесконечным) числом частиц, максимально изолированных от окружающей среды. Принципиальным свойством рассматриваемой оптической системы является, с одной стороны, ее мезоскопичность (1010Ц1013 фотонов), а с другой - учет квантовых переходов относительно небольшого (103Ц105) числа фотонов. Показано, что в мезоскопическом пределе, при числе фотонов N , но конечном значении параметра переключения состояние светового поля характеризуется сильной квантовой деполяризацией, а также постоянным (подавленным) уровнем дисперсий параметров Стокса.
В параграфе 2.6 решена задача о переключении (самопереключении) квантового состояния светового поля в двух предельных случаях.
Во-первых, рассмотрен эффект самопереключения, при котором малое (но, макроскопическое) изменение начального квантового состояния (определяемого значениями разности числа фотонов , разности 0 и N на входе системы), влечет за собой изменение поведения системы, соответствующее переходу между фазовыми траекториями, находящимися по разные стороны от сепаратрисы, и приводит к значительному (количественному) изменению конечного состояния системы. В пределе теории среднего поля этот эффект полностью соответствует классическому самопереключению ОРСВ. Однако, для наблюдаемости эффекта самопереключения в квантовой задаче необходим также учет флуктуаций измеряемых поляризационных характеристик светового излучения. В этой связи в работе сформулированы критерии наблюдаемости эффекта самопереключения, соответственно, при учете квантовых флуктуаций светового поля на входе в среду и флуктуаций наблюдаемой величины на выходе системы. Показано, что при определенных условиях эффект может быть не наблюдаем без использования неклассических состояний света с подавленным уровнем флуктуаций числа частиц. Приведены численные оценки для реальных сред с ОРСВ:
туннельно-связанных оптических волокон (ТСОВ) и связанных полосковых волноводов на основе GaAs структур.
Во-вторых, рассмотрена задача однофотонного переключения светового поля в двухмодовой системе с ОРСВ. В этой связи проанализированы квантовые свойства мезоскопического кутрита, вектор состояния которого в общем случае для туннельносвязанного оптического волокна может быть представлен в виде:
( ) = ( ) n m + ( ) n -1 m +1 + ( ) n +1 m -1, (8) 1 2 1 2 1 где N = n + m; коэффициенты ( ), ( ), ( ) также находятся вариационным способом на основе минимизации энергии системы, описываемой Гамильтонианом (4).
Показано, что состояние (8) обладает существенно неклассическими свойствами по флуктуациям параметров Стокса светового поля.
В третьей главе обсуждена проблема прецизионного измерения поляризационных характеристик светового излучения в оптике.
В парагафе 3.1 обсуждаются различные возможности применения неклассических поляризационных состояний света для целей прецизионных (на уровне квантовых шумов) эллипсометрических и поляриметрических измерений в оптике. В этой связи предложено два основных способа измерений поляризационного состояния светового поля, основанных на последовательном, а также параллельном (одновременном) детектировании всех его параметров Стокса.
В рамках первого способа детектирования в параграфе 3.2 разработаны критерии неидеальных квантовых невозмущающих измерений параметров Стокса векторных световых полей, которые позволяют получить предельно возможную точную (или почти точную) информацию как о параметрах Стокса светового поля, так и о разности фаз ортогонально поляризованных волн. Предложена оригинальная процедура последовательных измерений этих параметров, и в, частности, разности числа фотонов, основанная на последовательном преобразовании светового излучения в кубично-нелинейной среде, в которой формируется ПС свет, а затем в линейной системе, где и происходит измерение параметра S1 с точностью, определяемой коэффициентом сжатия.
В параграфе 3.3 обсуждается проблема измерения фазы в квантовой оптике. В этой связи, во-первых, рассмотрены непрерывные квантовые невозмущающие измерения поляризационных характеристик света - как сигнальных чисел фотонов, так и параметров Стокса светового излучения. В качестве устройства, реализующего эти измерения, рассматриваются двужильные кубично-нелинейные оптические волокна с туннельной связью между жилами (ТСОВ), осуществляющие четырехмодовое (по две пробных и сигнальных) смешение волн, а также линейные оптические элементы для предварительного и последующего преобразования (УвращенияФ) параметров Стокса.
Во-вторых, показано, что измерение фазовозависящих параметров Стокса может быть использовано для КНИ разности фаз исходных двух мод. При этом точность таких измерений определяется начальными флуктуациями параметров Стокса пробных мод, а также нелинейным коэффициентом преобразования мод в ТСОВ.
В параграфе 3.4 предложен оригинальный четырехканальный поляриметр для одновременных/параллельных измерений всех параметров Стокса светового поля и соответствующих фазовых углов - см. рис.3. Получены основные соотношения для операторов разностей чисел фотонов, детектируемых в его четырех каналах, выражения для относительных дисперсий флуктуаций измеряемых стоксовых параметров в пределе как большого, так и малого числа фотонов в поляризационных модах на входе в систему, а также определен стандартный квантовый предел измерения параметров Стокса в рассматриваемом поляриметре, определяемый когерентным световым излучением на его входе. Рассмотрено, каким образом предложенную схему поляриметра можно использовать для измерения двух фазовых углов и , определяющих состояние поляризации света на сфере Пуанкаре и связанных с эллипсометрическими параметрами - см. рис.1. Для повышения точности измерений этих параметров в поляриметре на рис.3 анализируются различные состояния двухмодовых световых полей, такие как двухмодовые фоковские состояния, двухфотонные состояния, а также поляризационно-сжатый свет на его входе.
nDd d a d d a 5 a DBS2 BS3 d BS6 d 3 /d BS5 4 D3 3 BSa d d ' d a 2 a ' BS1 d d nDa' a' 8 d d BS8 a' BSD7 DDa ' nDn Рис.3. Схема четырехканального поляриметра для одновременного (параллельного) измерения всех параметров Стокса и фазовых углов, ; обозначают a1,входные (поляризационные) моды; (j=1-6) представляют собой d jвакуумные моды на входе полупрозрачных светоделительных пластинок (j=1,2,3,4,7,8) ; - детектируемая разность числа фотонов.
BSj nij На рис.4 представлены зависимости относительных ошибок измерения косинуса и синуса фазового параметра (см. также рис.1) 22 cos = cos cos и sin = sin sin () () ()() sqcoh sqcoh как функции от нелинейного фазового набега в среде, помещенной на входе в интерферометр на рис.3. Из рис.4 видно, что с использованием поляризационносжатого света (с подавленными флуктуациями параметра Стокса S3 ) точность измерения фазового параметра sin может быть улучшена, в то же самое время она ухудшается для cos. При этом значение = 0,75 определяет минимально j Рис.4. Зависимости относительных ошибок измерений cos и sin фазовых параметров от нелинейного параметра в случае поляризационно-сжатого света на входе поляриметра. Измерению с когерентным излучением соответствует относительная ошибка =1.
j возможный уровень измерения флуктуаций фазовых параметров, определяемый неизбежными вакуумными флуктуациями мод на входе в интерферометр на рис.3.
d jДанная ситуация проиллюстрирована на рис.1, где "серп неопределенности" как раз и соответствует уменьшению флуктуаций поляризационной фазы . В этом случае можно говорить о формировании и измерении на основе интерферометра на рис.нового типа неклассических состояний светового излучения - поляризационно-фазовосжатого света с подавленными флуктуациями одного из фазовых параметров.
В параграфе 3.5 рассмотрена оригинальная процедура клонирования поляризационного состояния светового излучения в устройстве, основу которого составляет четырехканальный поляриметр, а также фазово- независящие линейные усилители для ортогонально поляризованных мод на его входе. Разработаны критерии такого клонирования в терминах параметров Стокса светового поля, а также рассчитаны ограничения, связанные с вакуумными флуктуациями оптического излучения на входе в устройство.
В четвертой главе развита квантовая теория SU(3) поляризации для оптических и атомных систем с симметрией Гелл-Манна. В частности, здесь речь идет о поляризационной структуре трехмодовых световых полей, для которых могут возникать качественно новые эффекты, связанные с квантовыми корреляциями различных мод. В квантовой криптографии использование кутритных состояний оптических систем в ряде случаев является более предпочтительным, чем двухуровневых систем - кубитов.
В параграфе 4.1 дано квантовое описание SU(3)-поляризации в квантовой оптике. Рассчитаны дисперсии параметров Гелл-Манна j ( j =1,...,7 ) ( ) трехмодовых когерентных полей, а также перепутанных состояний физической системы. Важной отличительной особенностью величин j, в том числе и для ( ) когерентных состояний является возможность их обращения в нуль при определенных значениях фазовых параметров, определенных в Гильбертовом пространстве состояний, что связано с возможностью перераспределения (перекачки) энергии между всеми модами светового поля. Дано определение SU(3)- сжатых состояний и выявлены условия их формирования в трехжильных оптических волокнах (волноводах).
Рассмотрена проблема степени поляризации для трехмодовой задачи.
В параграфе 4.2 рассмотрен операциональный подход к измерению характеристик трехмодовых полей. В этой связи впервые предложен оригинальный двенадцатипортовый интерферометр - см. рис.5, позволяющий одновременно измерять параметры Гелл-Манна светового поля, а также квантовые корреляции между всеми его тремя модами. В предельном случае, когда одна из оптических мод является классическим полем накачки выявлена возможность существования нового типа квантовых (спиральных) состояний света, для которых принципиальным является корреляция эрмитовых квадратур и поляризационных параметров Стокса.
Параграф 4.3 посвящен исследованию фазовых и амплитудных свойств кутритов на основе измерений с помощью интерферометра на рис.5. Определены соответствующие параметры этих величин, рассчитаны их дисперсии как в квазиклассическом пределе, так и в пределе малого числа фотонов. Показано, что ошибка измерения как амплитудных, так и фазовых параметров минимальна в случае максимально перепутанных состояний кутритов светового поля на входе в интерферометр.
Рис.5. SU(3)-интерферометр для параллельного измерения параметров Гелл-Манна в оптике. На вход подаются квантовые ( aj ) и вакуумные ( Vj ), j =1,2,моды; j - фазовые сдвиги в плечах интерферометра, создаваемые линейными оптическими элементами, BS - полупрозрачные светоделители.
Пятая глава посвящена исследованию квантовых свойств квазичастиц - поляритонов и магнонов, возникающих в результате процессов взаимодействия многочастичного бозе-конденсата атомов с внешними электромагнитными полями.
В параграфе 5.1 рассмотрены вопросы формирования перепутанных (entangled) состояний двухмодового бозе-конденсата атомов и квантовой моды электромагнитного поля в одночастичном приближении для поля. Найдено стационарное решение и получено уравнение для распределения энергии по спектру возмущенного конденсата, соответствующие задаче взаимодействия многочастичного конденсата с одиночной модой электромагнитного излучения. Показано существование двух спектральных ветвей, соответствующих светлым и темным магнонам. Исследована квантовая динамика атомно-полевых мод взаимодействующего с одиночной модой электромагнитного поля конденсата. Показано, что процесс индуцированных магнитным полем коллективных возбуждений приводит к возникновению в системе эффекта коллапса и возрождения волновой функции конденсата, что выражается в проявлении резких всплесков населенности нижнего уровня на фоне почти стационарного поведения системы. В области атомно-полевого резонанса происходит размытие эффекта с выделением его тонкой структуры в форме добавочных возрождений на фоне основной картины. Приводится расчет характерных времен и спектров подобных возмущений. Основываясь на исследовании спектров возбуждений конденсата, показано, что при резонансном взаимодействии реализуются исключительно низкочастотные коллективные моды, что связано с индуцированными внешним полем межуровневыми переходами и имеет самостоятельный интерес в связи с вопросом реализации бозе-генераторов электромагнитного излучения.
Параграф 5.2 относится к исследованию квантовой статистики, квантовых флуктуаций и фазовых корреляций атомов конденсата и электромагнитного поля. На основе операторного подхода и в рамках алгебры Ли с симметрией SU(2) демонстрируется возникновение полиномиальных деформаций алгебры, проявляющихся в нарушении ее основных коммутационных соотношений для введенных атомно-полевых операторов системы. Как следствие, это приводит к возникновению сугубо неклассических корреляционных свойств системы, на основании чего делается заключение о генерации в конденсате нового типа сжатых поляритонных (фазово-коррелированных) состояний взаимодействующих атомов и электромагнитного поля.
В параграфе 5.3 исследованы эффекты взаимодействия многочастичного БЭК трехуровневых атомов с внешними оптическими полями для случая двулучевой схемы при условии, близком к резонансу. Показано, что реализация в многоатомной среде гигантских значений оптической нелинейности в такой -схеме взаимодействия оптических полей может быть использована для эффективного управления квантовой статистикой светового излучения. В этом случае осуществление режима с Узамедленным светомФ для пробного светового импульса определяет наблюдаемую в эксперименте временную задержку импульса в среде (из-за процессов энергообмена в связанной системе поле-среда), позволяя осуществить эффективную генерацию сжатого света на относительно небольших длинах взаимодействия. Например, при длине взаимодействия 3,8 см на выходе системы наблюдается квадратурно-сжатый свет со степенью сжатия порядка 60% (использованы следующие параметры: концентрация атомов БЭК N = 3.3 1012 см-3, интенсивность волны накачки (пробного импульса) Ic = 55мВт/см2, (Ip = 80 мкВт/см2), длительность огибающей пробного импульса 1мкс ). Для этого случая проведен сравнительный анализ значений характерных p времен обсуждаемых эффектов: времени сжатия , времени задержки света средой sq , времени релаксационных процессов для нижних уровней в используемой -схеме d 12 при соответствующей длительности пробного импульса . Получено общее p соотношение между ними:
< <12, (9) p sq d выполнение которого необходимо для эффективной генерации квадратурно-сжатого света в БЭК.
В шестой главе развита квантовая теория кооперативных эффектов для двухуровневой атомной среды, взаимодействующей с квантованной модой лазерного излучения в резонаторе.
В параграфе 6.1 основной акцент сделан на выяснении физических особенностей фазовых переходов для атомных поляритонов, образующихся в плоскости резонатора, перпендикулярной его главной оси в условиях сильной связи между атомами и полем.
В общем случае операторы уничтожения поляритонов верхней (1,k ) и нижней (2,k ) дисперсионных ветвей могут быть описаны с помощью унитарных преобразований:
1,k = 1 fk - , 2,k = 1 + 2 fk, (10а,б) где fk - оператор уничтожения фотонов для k -ой моды, - бозе-оператор уничтожения макроскопических (коллективных) элементарных возмущений атомной системы, 1 1(k ) и 2 2(k ) - параметры преобразования (коэффициенты 2 Хопфилда), удовлетворяющие условию нормировки 1 + 2 =1. В работе найдены выражения для эффективной массы поляритонов в атомной среде. Развит квантовый подход к квазиконденсации, а также истинной (в термодинамическом смысле) бозеэйнштейновской конденсации двумерного газа поляритонов в резонаторе, которая может быть реализована уже при комнатной температуре. Для осуществления истинной бозе-эйнштейновской конденсации резонаторных поляритонов предложена схема их удержания в ловушке по гармоническому закону, основанная на использовании магнитной ловушки для атомов, а также специальной градиентной (цилиндрической) линзы и/или неоднородного волновода, показатель преломления которого квадратично зависит от поперечной координаты для удержания фотонов в области атомно-оптического взаимодействия.
В параграфе 6.2 предложена модель поляритонного лазера на основе которой получены уравнения, описывающие поляризацию атомной среды, разность населенностей и дисперсионные соотношения для поляритонов в условиях их квазиконденсации или/и истинной конденсации. Основной акцент сделан на выяснении механизмов формирования когерентных поляритонов в условиях конечного времени жизни фотона в резонаторе, а также продольной (поперечной) релаксации атомной среды и эффекта Доплера. Найдены условия, определяющие формирования когерентных атомных поляритонов в резонаторе в условиях их бозе-эйнштейновской конденсации.
В параграфе 6.3 решена задача о джозефсоновской динамике связанных поляритонных мод в резонаторе. В этой связи рассмотрен следующий Гамильтониан, описывающий взаимодействие двухуровневой атомной системы с квантованным электромагнитным полем в условиях сильной связи:
H = ph(k) fkЖ fk + at (k)Ж + g fkЖ + Ж fk + fkЖ fkЖ + Ж fk fk, ( ) ( ) ( ) k (11) где ph(k) и at (k) - дисперсионные соотношения для фотонной и атомной систем, коэффициент g определяет величину связи между полем и атомами в дипольном приближении, слагаемое с коэффициентом учитывает нелинейное атомно-полевое взаимодействие и может быть рассмотрено в рамках нелинейной модели ДжейнсаКаммингса.
При = 0 выражение (11) для Гамильтониана H может быть диагонализировано на основе линейных преобразований (10). В случае поляритоны различных ветвей дисперсионной кривой взаимодействуют между собой благодаря керровской нелинейности атомной системы. В этом случае имеется два Etr основных управляющих параметра задачи: = - нормированная кинетическая g энергия конденсированных поляритонов в поперечной плоскости, а также параметр Nex eff = ( Nex -общее число поляритонов обеих ветвей), определяющий 2g 1+ ( ) нелинейную джозефсоновскую связь между поляритонами различных ветвей. Таким образом, значения и eff определяют набор стационарных состояний системы, возможные динамические режимы. На основе полученных аналитических решений показано, что возможны несколько режимов динамического поведения системы, каждому из которых соответствует своя область фазового портрета для канонически сопряженных величин = N1 - N2 Nex, =2 -1, характеризующих ( ) приведённую разность населённостей ( ) для поляритонов, принадлежащих различным дисперсионным веткам, и их относительную фазу . Особенностью рассматриваемой задачи является проявление так называемого эффекта макроскопического квантового самозахвата - МКС (macroscopic quantum self-trapping) поляритонов, являющегося результатом проявления атомной нелинейности среды. На рис.6 приведены зависимости нормированной разности населённостей от нормированного времени , демонстрирующие различные режимы МКС в нашей задаче. В частности, кривая 1 описывает МКС поляритонов для значения с локализованной (периодической) фазой = 0. Второй тип МКС (кривые 2, 3) связан с значением -фазы ( = ). Наконец, третий вид динамического режима МКС Рис.6. Зависимость разности населённостей от безразмерного времени = gt.
Параметры системы: = 2.08475, (0) = -0.97, (0) = 0 для кривой 1, = 0.15, (0) = -0.5, (0) = для кривой 2, = 2.08475, (0) = 0.9, (0) = для кривой 3 и = 1, (0) = -0.259, (0) = 0 для кривой 4. Во всех случаях = -2.
соответствует неограниченному изменению фазы , характеризуемой кривой 4 на рис. 6. Численные оценки, приведенные в работе демонстрируют реальность наблюдения предсказанных нелинейных эффектов МКС поляритонов в резонаторе.
Седьмая глава объединяет в себе результаты исследований предыдущих глав и посвящена актуальным проблемам разработки устройств квантовой записи, хранения и обработки информации, содержащейся в непрерывных переменных электромагнитного поля.
В параграфе 7.1 впервые предложена процедура квантовых невозмущающих измерений углового (спинового) момента атомной системы, основанная на ее поэтапном взаимодействии со сжатым (по флуктуациям пробной компоненты углового момента) фотонным резервуаром, а затем - с магнитным полем.
В параграфе 7.2 для проблемы одновременной записи и передачи информации, содержащейся в световом импульсе сформулированы критерии квантовой невозмущающей (КН) записи информации на основе различных состояний светлых и темных поляритонов в трехуровневой атомной среде в условиях ЭИП - ср. с (10).
Определены шесть коэффициентов корреляции:
in out in out X X - X X f f f f ( C1 X ) =, (12а) in out VX, fVX, f in out in out X X - X X ff ( C2X ) =, (12б) in out VX, fVX, out out out out X X - X X ff ( C3 X ) = (12в) out out VX, fVX, для эрмитовых квадратур пробного (записываемого) светового поля X и квадратур, f описывающих поляритоны, формирующиеся в среде X в начальный и конечный in(out in(out ) моменты времени. В (12) переменная X = Q, P ; VX, f ) = X, { } ( ) f in(out in(out VX, ) = X ) - дисперсии квадратур пробного поля и поляритонов до ( ) (после) записи информации, соответственно.
Выражения (12) имеют простой физический смысл. Коэффициенты корреляции (Q,P) C1 показывают степень деградации входного сигнала (квадратур Qin и Pfin f ( соответственно) на выходе из устройства. Коэффициенты C2Q,P) характеризуют ( качество невозмущающей записи информации атомной системой; C3Q,P) описывают способность атомной системы приготовлять состояние светового поля с целью его ( последующей передачи. Другими словами, коэффициенты C3Q,P) связаны со способностью клонирования устройством квантового состояния оптической системы на атомный ансамбль. Важно отметить, что в отличии от квантового невозмущающего измерения отдельно взятой квадратуры (или параметра Стокса) светового поля, условия (12) по квантовой записи информации учитывают флуктуации и корреляции для обеих квадратур поля одновременно. Для светлых и темных поляритонов, образующихся в классически когерентной атомной коэффициенты корреляции (12) равны:
( X ) 2 ( 2 ( C1,class 1, C2,X ) 2, C3,X ) = 0, (13а,б,в)>
Выражения (13) устанавливают стандартный квантовый предел записи информации для когерентного состояния светового импульса на входе в среду при классической записи информации. В случае, когда атомы среды находятся в перепутанном состоянии, соответствующем БЭК, этот предел может быть преодолен.
В частности, в пределе полностью невозмущающей записи информации при 1 ( 1) все коэффициенты C( X ) 1 одновременно при следующих j ограничениях на дисперсии флуктуаций атомной системы:
2 2 in in VQ,, VP,. (14а,б) 2 1 На рис.7 приведены зависимости коэффициентов корреляции Cj C(Q) j ( j =1,2,3) для одной из квадратур как функции от угла смешения накачки и пробного поля в трехуровневой атомной среде. В случае, когда ансамбль атомов находится в спиново-сжатом состоянии (штриховые линии на рис.7) коэффициенты корреляции 2 ( ( (12) достигают своих предельных значений C1,X ) =, C3 X ) =, которые больше 3 таковых в классическом случае - ср. с (13) и соответствуют именно квантовой записи информации атомной системой. Условия (14а,б)) при этом выполняются одновременно вблизи значений , когда поляритоны в среде образуются с равным вкладом фотонной и атомной составляющих (при 1,2 =1 2 - см. (10)). В пределе квадратурно-сжатого состояния, в котором может находиться атомная система in (сплошные линии на рис.7) лишь дисперсия VQ, является эффективно сжатой, так что Рис.7. Зависимости коэффициентов корреляции C1 - кривые 1, C2 - кривые 2, и C3 - кривые 3, от угла . Значение относительной населенности основного состояния 1 = 0.3.
выполненным является только условие (14а). В этом пределе осуществляется режим квантового невозмущающего измерения квадратуры Qin, в то время как дисперсия f in другой квадратуры Pfin соответствует когерентному уровню флуктуаций, т.е. VP, =1 и C(P) = Cj,class - см. (13).
j В параграфе 7.3 решена задача об оптимальном квантовом клонировании гауссовского (когерентного) светового поля на состояния поляритонов атомной системы. Реализация такой записи информации осуществляется за счет преобразования светового излучения в параметрическом фазово-независящем усилителе с коэффициентом усиления 2, а затем в атомной среде, находящейся в многочастичном перепутанном состоянии в условиях бозе-эйнштейновской конденсации, где образуются светлые и темные поляритоны, которые как раз и представляют из себя два клона исходного светового поля. Показано, что в этом случае ( первые два коэффициента C1,X ) в (12а,б) соответствуют своим классическим ( значениям (13а,б), а значение третьего коэффициента C3 X ) =1/ 4 - ср. с (13в). При этом параметр надежности F (fidelity) для исходного и преобразованного состояния светового поля равен 2/3, что определяет сугубо неклассические корреляции между клонами поля и атомных возмущений.
Для целей хранения квантовой оптической информации в параграфе 7.рассмотрена проблема распространения оптических волновых пакетов в атомной среде, помещенной в резонатор в условиях сильной связи между атомами и квантованным полем. Проанализированы случаи существенного изменения (замедления) групповой скорости оптических волновых пакетов в условиях квазиконденсации (или истинной конденсации) поляритонов. Предложен алгоритм пространственно-распределенной квантовой записи (копирования), хранения и считывания информации, ассоциированной с распространением оптического волнового пакета.
В Заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации.
В Приложении 1 приведены расчетные соотношения, а также фазовые портреты для различных динамических режимов взаимодействия ОРСВ, использованные в главе 2 при оценке критерия наблюдаемости переключения света для реальных сред, а также мезоскопических состояний светового поля.
В Приложении 2 на основе подхода Хольштейна-Примакова развита квантовая теория элементарных возмущений в атомном бозе-газе, которая используется в главах 5 и 6 при анализе поляритонных состояний.
Основные результаты работы состоят в следующем.
1. Развита квантовая теория генерации неклассических (макроскопических и мезоскопических) состояний векторных световых полей с подавленным уровнем флуктуаций параметров Стокса при нелинейном взаимодействии двух волн с ортогональными поляризациями в пространственно-периодических средах - подкрученных двулучепреломляющих волокнах, а также нелинейном интерферометре Маха-Цендера. Выявлены оптимальные условия для формирования поляризационно-сжатого света в зависимости от параметров задачи - характерных длин линейного и нелинейного энергообмена между волнами ортогональных поляризаций в среде, фазовых соотношений между ними, а также их состояния поляризации на входе среды. Показано, что при учете квантовых флуктуаций светового поля наблюдение эффекта самопереключения параметров Стокса зависит от ряда условий, для выполнения которых в определенных случаях необходимо использование неклассических (сжатых и/или перепутанных) состояний света с подавленным уровнем флуктуаций числа фотонов.
2. Впервые разработана процедура косвенных и последовательных квантовых невозмущающих измерений параметров Стокса, а также разности фаз световых полей. Показано, что для реализации таких измерений необходимым является использование ПС света на входе в линейную систему, осуществляющую связь между ортогонально поляризованными модами световых полей.
3. Предложены оптические схемы операциональных измерений двух и трехмодовых световых полей, основанные на одновременном (параллельном) измерении всех параметров Стокса (Гелл-Манна) светового поля, а также фазовых параметров. Определена точность измерения данных параметров в случаях различных состояний поляризации на входе поляриметра и определена относительная ошибка измерения, определяющая фундаментальный уровень квантовых шумов (разрешающую способность) предложенного поляриметра как измерительного прибора.
4. Исследована физика нелинейного взаимодействия спинорного (двух и трехуровневого) атомного бозе-конденсата с квантовым электромагнитным полем в том числе и в условиях ЭИП, в рамках которой предсказана тонкая структура для феномена коллапса и возрождения волновой функции такой системы. Исследована квантовая статистика атомных состояний и предсказана возможность генерации в конденсате нового типа сжатых (фазовокоррелированных и сжатых спиновых) состояний взаимодействующих атомов и одиночной моды электромагнитного поля.
5. Развита квантовая теория кооперативных эффектов при взаимодействии двухуровневых атомных систем со световым полем в резонаторе. Показано, что в условиях сильной связи между средой и полем в плоскости, параллельной зеркалам резонатора возникают когерентные элементарные возмущения двухуровневой атомной среды и светового поля - поляритоны, для которых в параксиальном приближении как квазиконденсация, так и истинная конденсация газа может наступать уже при комнатной температуре.
6. Решена задача о нелинейном смешении макроскопических поляритонных мод, возбуждаемых в резонаторе с учетом керровской нелинейности атомной системы, а также в условиях сильной связи между средой и полем. Выявлены различные динамические режимы их взаимодействия, включая осцилляции Джозефсона, линейные и нелинейные осцилляции Раби. Впервые предсказаны когерентные явления макроскопического самозахвата населенностей для поляритонов. Выявлены нелинейные эффекты резкого переключения динамических режимов поляритонного взаимодействия в зависимости от числа фотонов в резонаторе.
7. Развиты методы пространственно-распределенной квантовой записи (копирования), хранения и считывания оптической информации на основе управления групповой скоростью световых волновых пакетов распространяющихся в атомной среде, помещенной в резонатор. Определен стандартный квантовый предел записи информации для когерентного (гауссова) светового импульса на входе в атомную систему, обусловленный также квантовыми флуктуациями атомно-оптических возмущений (поляритонов) в среде. Показано, что этот предел может быть преодолен с использованием охлажденного до температуры бозе-конденсации ансамбля атомов, находящихся в перепутанном состоянии.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian, S.N. Bagayev, V.S. Egorov, A.Yu. Leksin, Josephson dynamics for coupled polariton modes under the atomЦfield interaction in the cavity.// Applied Physics B, 2007, 89, pp 81-89.
2. A. P. Alodjants, S. M. Arakelian, and A. Yu. Leksin. Storage of quantum optical information based on the intracavity polaritons under the BoseЦEinstein Condensation conditions. // Laser Physics, 2007, 17, №11, pp. 1Ц9.
3. А.В. Прохоров, А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян. Квантовые вычисления на основе однофотонных поляризационных состояний импульсов света, распространяющихся в допированной резонансной среде.// Квантовая электроника, 2007, 37, №12, с.1115-1118.
4. A. V. Prokhorov, A. P. Alodjants, A. Yu. Leksin, S. M. Arakelian. Nonlinear laser amplifier with suppressed level of quantum noise on the basis of a bose-condensate for atoms. // Physics of Particles and Nuclei Letters, 2007, 4, №2, pp.200-203.
5. A. P. Alodjants and S. M. Arakelian, Quantum storage and cloning of light states in EIT-like medium, // Int. Journal of Modern Physics B, 2006, 20, pp.1593-1605.
6. A. P. Alodjants, S. M. Arakelian, S. N. Bagayev, I. A. Chekhonin, V. S. Egorov, Quantum cloning in coupled states of an optical field and an atomic ensemble by means of quasi-condensation of polaritons. // J. of Rus. Laser Research, 2006, 27, № 5, pp. 400-409.
7. А.П. Алоджанц, А.Ю. Лексин, С.М. Аракелян. Квантовая операциональная томография параметров Гелл-Манна светового поля. // Известия РАН, Сер.
физ., 2006, 70, №3, с. 389-395.
8. В.А. Аверченко, A.П. Алоджанц, С.М. Аракелян, С.Н. Багаев, Е.А.
Виноградов, В.С. Егоров, А.И. Столяров, И.А. Чехонин, Высокотемпературная бозе-эйнштейновская конденсация поляритонов: реализация в условиях внутрирезонаторной лазерной накачки вещества. // Квантовая Электроника, 2006, 36, № 6, с. 532-538.
9. A. P. Alodjants and S. M. Arakelian. SU(3) symmetry operational approach to measuring amplitude and phase parameters for an optical field. // Оптика и спектроскопия, 2005, 99, № 3, pp. 429Ц435.
10. A.P. Alodjants, A.Yu. Leksin, S.M. Arakelian. Quantum operational measurement of amplitude and phase parameters for SU(3) symmetry optical fields. // Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics, 2005, 7, S745-S749.
11. А.В. Прохоров, А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян. Генерация неклассических состояний света в бозе-эйнштейновском конденсате в условиях электромагнитной индуцированной прозрачности.// Письма в ЖЭТФ, 2004, 80, №12, c.870-874.
12. С.Н. Багаев, А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян. Состояния поляризации с SU(3) - симметрией в квантовой и атомной оптике и предельные измерения. // ДАН, Cер.
физ. 2004, 395, с. 326-329.
13. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян. Квантовые измерения параметров Гелл-Манна светового поля с помощью SU(3)-интерферометра. // Оптика и спектроскопия, 2004, 97, №3, с.453-461.
14. A.Yu.Leksin, A.P.Alodjants, S.M.Arakelian. Quantum limits of polarization switching in optical mesoscopic devices with distributively coupled quantum modes. // J. of Rus. Laser Research, 2003, 24, №2, pp.168-179.
15. А.В. Прохоров, А. П. Алоджанц, С.М. Аракелян. Перепутанные спиновые состояния бозе-конденсата в электромагнитном поле. // Оптика и спектроскопия, 2003, 94, №1, c.55-67.
16. A.P. Alodjants, A.V. Prokhorov, S.M. Arakelian. Formation of the SU(3)-polarization states in atom-quantum electromagnetic field system under condition of the boseeinstein condensate existence. // Particles and Nuclei Letters, 2003, 1, pp. 66-71.
17. А. P. Alodjants, A. V. Prokhorov, and S. M. Arakelian. Entangled States of the Bose Condensate of Two-Level Atoms Interacting with a Quantum Electromagnetic Field.// Laser Physics, 2003, 13, №8, pp.1-14.
18. А.В. Прохоров, А.Ю. Лексин, А.П. Алоджанц С.М. Аракелян. Квантовые вычисления на основе нелинейных туннельно-связанных систем с распределенной обратной связью.// Известия РАН, Сер. физ., 2002, 66, №7, c.968-972.
19. A. P. Alodjants, A. Yu. Leksin, A. V. Prokhorov, S. M. Arakelian. Quantum limit for observation of self-switching effect of light in nonlinear spatially inhomogeneous optical system. // Molecular Crystals & Liquid Crystals, 2002, 375, pp.185-194.
20. A.P. Alodjants, A.Yu. Leksin, A.V. Prokhorov, S.M. Arakelian. Quantum logic gates based on macroscopic nonclassical polarization states of light.// Laser Physics, 2002, 12, №6, pp.956-962.
21. A.V.Prokhorov, A.Yu.Leksin, A.P.Alodjants, S.M.Arakelian. Quantum macroscopic XOR operation using nonclasical states formation in Mach-Zehnder interferometer. // Proc. of SPIE, 2001, 4429, pp.8-13.
22. A.P.Alodjants, A.V.Prokhorov, A.Yu.Leksin, S.M.Arakelian. Nonclassical interference and quantum computing in mesoscopic systems: information and entropy aspects. // Proc. of SPIE, 2001, 4429, pp.52-57.
23. A.P.Alodjants, A.Yu.Leksin, A.V. Prokhorov, S.M. Arakelian. Limiting measurements in quantum and atomic optics: localized mesoscopic polarization quantum states. // Laser Physics, 2000, 10, №2, pp.603-613.
24. A.P.Alodjants, A.Yu.Leksin, S.M.Arakelian. Quantum polarimeter for measurement of nonclassical polarization states of light. // Proc. SPIE, 1999, 4060, pp.63-68.
25. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian. Quantum phase measurements and nonclassical polarization states of light. // Journal of Modern Optics, 1999, 46, №3, pp. 475-526. A.P.Alodjants and S.M.Arakelian. Precise polarization phase measurements and gravitational radiation detection by SU(2) interferometers. // Gravitation & Cosmology, 1999, 5, №4, pp.253-260.
27. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян. Квантовые невозмущающие измерения фаз и поляризационных параметров Стокса оптических полей. //ЖЭТФ, 1998, 13, №4, с.1235-1252.
28. А. P.Alodjants, A.Yu.Leksin, S.M.Arakelian. Nonclassical polarization states of light, switching effect in the Stokes parameters, and the problem of quantum computing for nonlinear distributed feedback systems. // Laser Physics, 1998, 8, №3, pp.718-731.
29. A.P.Alodjants, A.Yu.Leksin, S.M.Arakelian. Quantum stochasticity in the Stokes parameters of light, polarization switching and procedure of nondemolition measurements for distributed feedback systems. // Molecular Crystals & Liquid Crystals, 1998, 321, pp.223-236.
30. А.С. Чиркин, А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян. О новом квантовом определении степени поляризации электромагнитного поля.// Оптика и спектроскопия, 1997, 82, №6, с.1001-1003.
31. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian. QND-measurements of the Stokes parameters for optical fields and generation of polarization-squeezed light. // Proc. of SPIE, 1997, 3076, pp.184-195.
32. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian. Two-mode simultaneous measurements of the light phase difference and the polarization states for quantum optical fields.// Proc. of SPIE, 1997, 3076, pp. 97-108.
33. A.P.Alodjants, A.Yu.Leksin, S.M.Arakelian. Quantum and>
34. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian, A.S. Chirkin. Interaction of two polarization modes in a spatio-periodical nonlinear medium; generation of polarization-squeezed light and quantum nondemolition measurements of the Stokes parameters. // Quantum and Semiclassical Optics, 1997, B9, pp.311-329.
35. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian, A.S. Chirkin. Polarization quantum states of light in nonlinear DFB systems; quantum nondemolition measurements of the Stokes parameters of light and atomic angular momentum. // Applied Physics B, 1997, 66, pp.53-65.
36. А.П.Алоджанц, А.Ю.Лексин, С.М.Аракелян. Поляризационные неустойчивости и переключение света при четырехмодовом взаимодействии полей в туннельносвязанных оптических волокнах. // Известия РАН, Сер.физ., 1996, 60, №12, с.4657.
37. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян. Квантовый хаос и его наблюдение в связанных оптических солитонах. // ЖЭТФ, 1995, 107,№6, с.1792-1826.
38. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян, А.С. Чиркин. Формирование поляризационносжатых состояний света в пространственно- периодических нелинейнооптических средах. // ЖЭТФ, 1995, 108, №7, с.63-74.
39. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян. Квантовые невозмущающие измере-ния и возможности экспериментального наблюдения в туннельно-связанных двужильных оптических волокнах. // Известия РАН, Сер.физ., 1995, 59, №6, с.62-65.
40. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian. Quantum chaos and precision measurement in the theory of optical solitons.// Laser Physics, 1995, 5, №4, pр.812-835.
41. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян, А.С. Чиркин. Двухмодовые взаимодействия в РОС-системах: поляризационно-сжатый свет и квантовые невозмущающие измерения параметров Стокса. // Известия РАН, Сер.физ., 1995, 59, №12, с.4649.
42. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian, A.S. Chirkin. Two-mode interaction in DFBsystems: polarization-squeezed light and QND-measurement. // Proc. SPIE, 1995, 2799, pp.367-375.
43. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian. Quantum nondemolition measurements in an optical system with two-coupled mode under condition of Bragg resonance: lowpower requirements for experimental verification by dual-core optical fibers. // Laser Physics, 1994, 4, №4, pp.765-778.
44. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян. Формирование сжатых состояний для лазерных импульсов и пучков при брэгговской дифракции света в пространственно-периодической нелинейной среде. // ЖЭТФ, 1993, 103, № 6, с.910-941.
45. А.П. Алоджанц, Г.А. Джейранян, Л.П. Геворкян, С.М. Аракелян.
Неклассические состояния света в туннельно-связанных волоконных световодах и возможности их экспериментальной реализации в поле маломощных непрерывных высококогерентных лазеров. // Квантовая электроника, 1993, 20, №8, с.786-790.
46. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян, Г.Ю. Крючкян. Корреляция квантовых флуктуаций интенсивностей для дифракции Рамана-Ната. // Квантовая электроника, 1993, 20, с.689-698.
47. Р.Б. Алавердян, А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян, Л.П. Геворкян, В.А. Макаров, Ю.С. Чилингарян. Классические и квантовые состояния света в системах с распределенной обратной связью при распространении лазерных импульсов.// Известия РАН, Сер.физ., 1992, 56, с.25-42.
48. A.P Alodjants, S.M. Arakelian, Yu.S. Chilingarian. Quantum states of the light for dynamic diffraction in the DFB system under a Bragg-resonance. // Quantum Optics, 1992, 4, pp.209-220.
49. A.P. Alodjants, S.M. Arakelian, Yu.S. Chilingarian. Squeezed light under Bragg diffraction of frequency-modulated laser pulses in a spatially periodic nonlinear medium: spectral and temporal description. // Laser Physics, 1992, 2, pp.341-357.
50. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян, Ю.С. Чилингарян. Квантовые состояния поля при нелинейной динамической дифракции света в пространственнопериодической среде - холестерическом жидком кристалле. // Известия АН СССР, Сер.физ., 1991, 55, с.357-363.
51. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян, Ю.С. Чилингарян. Сжатые состояния поля в РОС-системе при брэгговском резонансе.// Квантовая электроника, 1991, 18, с.967-971.
52. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян, Л.П. Геворкян, Ю.С. Чилингарян.
Формирование сжатых состояний света при динамическом рассеянии в периодической среде. // Оптика и спектроскопия, 1991, 70, с.657-662.
53. А.П. Алоджанц, С.М. Аракелян, Ю.С. Чилингарян. Сжатые поляризационные состояния и антигруппировка фотонов при нелинейном селективном отражении света в холестерическом жидком кристалле. // Квантовая электроника, 1991, 18, с.626-632.