Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
(3.6)
Источник перепутанных фотонов 79
Экспериментальная реализация квантовой телепортации или квантовой плотной кодировки и обмена перепутыванием подразумевает наличие перепутанных частиц и построения анализатора состояний Белла. В следующих двух разделах будут описаны экспериментальные квантово-оптические методы, позволяющие готовить перепутанные фотоны и анализировать (частично) состояния Белла.
3.4 Источники перепутанных фотонов
Н.Жизан, Дж.Рэрити, Г.Вейхс
Существует несколько источников перепутанных квантовых систем. Источник перепутанных атомов, основанный на квантовой электродинамике резонаторов (КЭР), будет обсуждаться в разд. 5.2.3. Перепутанные ионы приготавливаются в электромагнитных ловушках Пауля, см. разд. 5.2.11. Управляемое перепутывание между ядер-ными спинами в единичной молекуле реализуется в методе ядерно-го магнитного резонанса, представленного в разд. 5.3. Изучаются также источники перепутывания и в физике твердого тела; однако сегодня еще слишком рано говорить об управляемом перепутыва-нии в этом случае. В настоящем разделе мы расскажем об источниках перепутывания в квантовой оптике, которые оказались, на сегодняшний день, наиболее удачными для создания эффективного перепутывания.
В квантовой оптике существует два класса систем, в которых может быть осуществлено перепутывание (общие вопросы создания перепутывания обсуждаются в разд. 1.5). Первый класс характеризуется перепутыванием между отдельными фотонами и будет описан в настоящем разделе. Другой путь состоит в установлении перепутывания между квадратурными компонентами (т.е. во входных и выходных фазах компонент электромагнитного поля по сравнению с фазой опорного генератора) световых пучков или между двумя ортогональными поляризационными компонентами световых пучков (см. разд. 3.9.2).
3.4.1 Параметрическое преобразование частоты вниз
Нелинейные оптические процессы используются во многих экспериментах квантовой оптики. Нелинейная оптика является частью классической электродинамики, объектом которой служат сильные поля, неупруго рассеивающиеся в различных средах. Неупругое рассеяние в оптическом диапазоне означает, что не только направление, но и частота света изменяется при взаимодействии с веществом, которое описывается электромагнитной восприимчивостью. Во время таких
80 Квантовая плотная кодировка и квантовая телепортация
взаимодействий, как правило, рождаются новые поля. Разложение по порядкам восприимчивости дает различные оптические нелинейные процессы: трех-волновое (параметрические взаимодействия) и четы-рех-волновое смешение. Отдельные компоненты Р. электромагнитной поляризации Р внутри вещества определяются из соотношения
р. = 4%+xgEfi,++..., (з.7>
где Е. -компоненты электрического поля.
Для того чтобы иметь возможность наблюдать нелинейные процессы в объеме взаимодействия, размеры которого сильно превышают длины волн участвующих в процессе полей, мы должны рассматривать вклады от всего объема как целого. Интерференция между этими вкладами приводит к так называемым условиям фазового синхронизма, которые представляют собой определенные соотношения между волновыми векторами соответствующих электромагнитных полей.
Если взглянуть на эти процессы с точки зрения квантовой электродинамики, мы обнаружим, что существуют не только вынужденные, но и спонтанные эффекты, похожие на взаимодействия электромагнитного поля с атомом. Спонтанный распад фотонов при нелинейных взаимодействиях впервые был исследован теоретически Д.Н.Клышко [89] и экспериментально Бурнхэмом и Вайнбергом [90]. Особым примером таких процессов является процесс спонтанного параметрического преобразования (частоты) вниз3. Это нелинейный процесс, вызванный наличием ^2), в котором на входе в среде изначально присутствует лишь одно поле с частотой сор. Из-за нелинейного взаимодействия и присутствия поля накачки <а происходит спонтанное рождение фотонов в двух других модах с частотами а>1 и а>2. В результате закона сохранения энергии оказывается, что
<У, + (о2 = (ор (3 8)
Вместе с условием фазового синхронизма4
(3.9)
это приводит к различным решениям в динамике взаимодействия, зависящим от вещества среды и от наблюдаемых частот. Эффектив-
3 В русскоязычной литературе этот процесс известен под названием спонтанное параметрическое рассеяние (СПР) света [Д.Н. Клышко. Фотоны и нелинейная оптика. М.«Наука» 1980г. 256с.]. В дальнейшем мы будем придерживаться именно этого термина {Прим. переводчика).
4 Здесь и везде далее предполагается точное выполнение условий синхронизма, которое строго говоря, имеет вид к - к - кг= Д, где волновая расстройка Д - определяется в стационарном случае пространственными размерами области нелинейного взаимодействия трех волн (Прим. переводчика).
Источник перепутанных фотонов 81
ность преобразования зависит от модуля соответствующих компонент X® и, как правило, очень низка. Если, например, излучение накачки попадает в вещество с высокой нелинейностью (дигидрофосфат калия, р -борат бария), в преобразованном свете можно наблюдать порядка 1010 фотонов в секунду выходящих из небольшого (несколько миллиметров в длину) образца. Из соображений симметрии следует, что восприимчивость второго порядка Х(2) отлична от нуля только в нецентросимметричных веществах - свойство, присущее только некоторым кристаллам.
