ИСТИНА

Актуальность темы Нелинейно-оптические взаимодействия, такие как трех- и четырехчаетот-иые параметрические процессы и процессы самовоздействия, играют важную роль в квантовой оптике. Оптические параметрические взаимодействия служат основными источниками сжатого света и световых полей в перепутанном состоянии. К настоящему времени в основе источников перепутанных квантовых состояний лежат трехчастотное параметрическое взаимодействие, в котором фотоны интенсивной волны накачки распадаются на пары фотонов, проявляющих корреляции, которые нельзя объяснить в рамках классической теории. Перепутанные квантовые состояния света играют ключевую роль во многих областях квантовой информации: квантовой коммуникации, квантовых вычислениях и квантовой обработки данных. Свойство квантовой перепутанности находит применение также в экспериментах по обоснованию квантовой механики. В связи с этим разработка и исследование новых источников перепутанных квантовых состояний света является в настоящее время важной фундаментальной и прикладной проблемой. В квантовой оптике существует два типа квантовых систем: системы с дискретными переменными, в которых имеют дело с одиночными фотонами, и системы с непрерывными переменными (квадратурные компоненты поля), в которых наблюдаемые обладают непрерывным спектром. Оба типа квантовых систем обладают как общими свойствами, так и присущими только конкретному типу системы особенностями. Например, в схемах квантовой информации, в основе которых лежат непрерывные переменные, квантовые состояния сравнительно легко можно получать и преобразовывать. Это обстоятельство является причиной того, что квантовая информация с непрерывными переменными в последнее время вызывает повышенный интерес исследователей. К настоящему времени можно выделить две группы методов получения перепутанных многомодовых состояний непрерывных переменных. Первую группу составляют методы получения перепутанных состояний с помощью генерации сжатых световых полей с последующим их преобразованием на светоделителях; при этом свет в сжатом состоянии формируется в вырожденном трехчастотном оптическом параметрическом процессе. Вторая группа способов генерации перепутанных многомодовых состояний света использует так называемые связанные параметрические взаимодействия, протекающие в одном нелинейно-оптическом кристалле, расположенном вне или внутри резонатора. Для эффективной реализации одновременно нескольких параметрических процессов в одном нелинейном кристалле необходимо создание условий фазового синхронизма для этих процессов. В однородных нелинейно-оптических кристаллах это можно осуществить только в некоторых частных случаях. В связи с этим для реализации нескольких нелинейно-оптических взаимодействий интерес вызывают неоднородные нелинейные кристаллы, в которых фазовые расстройки можно компенсировать векторами обратной нелинейной решетки. В многоволновых связанных параметрических взаимодействиях возможность одновременной реализации процессов смешения оптических частот, наряду с параметрическими процессами преобразования частоты вниз, позволяет переносить квантовые свойства световых полей с одних частот на другие частоты. Методы второй группы позволяют создать компактные источники многочастотных перепутанных состояний. В последнее десятилетие интенсивные исследования ведутся в новой области квантовой оптики, основанной на использовании пространственных квантовых свойств света и получившей название квантовое изображение. Предметом исследований квантового изображения является изучение преобразования оптического изображения в различных нелинейно-оптических схемах с использованием квантовых особенностей световых полей. Использование оптических изображений в схемах квантовой информации позволяет не только увеличить объемы квантовых данных, обрабатываемых параллельно, но также предложить новые методы обработки изображений. Хотя в некоторых схемах квантового изображения применения перепутанности не является необходимым, использование в них перепутанных состояний улучшает их шумовые характеристики. Цель диссертационной работы Основной целью диссертационной работы является исследование квантовых свойств многочастотных полей, одномодовых и многомодовых в пространстве, формируемых в связанных параметрических взаимодействиях, и их применение в квантовой телепортации. В работе решаются следующие задачи. 1. Исследование квантовых свойств двух пятичастотных связанных оптических параметрических взаимодействий: 1) взаимодействий, состоящих из двух параметрических процессов преобразования частоты вниз и одного процесса преобразования частоты вверх, протекающих в полей двух волн накачки, и 2) взаимодействий, протекающих в поле одной волны накачки и состоящих из одного параметрического процесса преобразования частоты вниз и двух процессов преобразования частоты вверх. 2. Анализ возможности применения четырехчастотных перепутанных состояний, генерируемых в связанных параметрических взаимодействиях, в схеме телепортации двухчастотных пространственно-одномодовых перепутанных состояний непрерывных переменных. 3. Изучение формирования перепутанных двухчастотных оптических изображений и анализ их квантовых свойств в процессе параметрического усиления при низкочастотной накачке. 4. Исследование возможности применения перепутанных пространственно-многомодовых полей, формируемых в пятичастотных связанных параметрических взаимодействиях, для телепортации перепутанных оптических изображений и анализ качества телепортации. Научная новизна 1. Детально исследованы квантовые корреляции фотонов и квадратурных компонент двух пятичастотных связанных параметрических взаимодействий. Обнаружено влияние процессов смешения частот на двухчастот-ную перепутанность. 2. Впервые показано, что в связанном параметрическом процессе преобразования частоты вниз и двух процессах смешения частот квантовая перепутанность, формируемая на частотах ниже частоты накачки, преобразуется на частоты выше частоты накачки. 3. Предложена и исследована схема телепортации перепутанных простран-ственно-одномодовых двухчастотных состояний. Показано, что в этой схеме перепутанные состояния можно телепортировать с большой точностью. 4. Исследованы квантовые характеристики усиленных и преобразованных по частоте изображений в связанных параметрических взаимодействиях для конфигураций с близко и далеко расположенным объектом на несущих частотах ниже и выше частоты накачки. 5. Впервые исследована телепортация перепутанных оптических изображений с использованием пространственно-многомодовых четырехчастот-ных полей, генерируемых в связанном параметрическом взаимодействии. Проанализирована точность телепортации оптических изображений в зависимости от соотношений ширин пространственных спектров теле-портируемых изображений и вспомогательных четырехчастотных полей. 6. Для схемы телепортации перепутанных двухчастотных оптических изображений детально исследовано влияние размеров пикселей регистрирующих устройств на качество телепортации. Защищаемые положения 1. В связанном пятичастотном оптическом параметрическом процессе, состоящем из двух процессов преобразования частоты вниз и одного процесса преобразования частоты вверх, формируются трехчастотные перепутанные состояния. Наличие процесса смешения частот уменьшает шумовое влияние одного процесса преобразования частоты вниз на другой. При равных коэффициентах нелинейной связи, отвечающих за процесс смешения частот и процесс, шумовое воздействие которого необходимо уменьшить, достигается максимальное уменьшение шума. 2. В связанном параметрическом процессе, протекающем в поле одной волны накачки, состоящем из одного процесса преобразования частоты вниз и двух процессов преобразования частоты вверх формируются два двухмодовых перепутанных состояния: на частотах ниже и выше частоты накачки, а пары мод образуют перепутанные блоки. 3. Отношение сигнал/шум усиливаемых и преобразуемых по частоте изображений в связанных одном преобразовании частоты вниз и двух преобразованиях частоты вверх, протекающих в поле монохроматической плоской волны накачки, в конфигурациях с близким и далеким расположением объекта стремится с ростом длины взаимодействия к предельному значению 4. Повышение перепутанности передаваемых состояний как одномодовых, так и многомодовых в пространстве, ведет к снижению, а увеличение перепутанности вспомогательных состояний, генерируемых в связанных одном преобразовании частоты вниз и двух преобразованиях частоты вверх, приводит к увеличению качества телепортации. Согласование ширин пространственных спектров телепортируемых изображений и вспомогательных пространственно-многомодовых полей в схеме телепортации перепутанных изображений повышает качество телепортации. 5. Увеличение размера пикселей детекторов в схеме телепортации перепутанных изображений с использованием вспомогательных полей, генерируемых в связанных одном преобразовании частоты вниз и двух преобразованиях частоты вверх, уменьшает вклад высоких пространственных частот квантового шума в качество телепортации. При генерации телепортируемых изображений и вспомогательных полей в монохроматических плоских волнах накачек точность телепортации перепутанных изображений стремится к предельному значению быстрее, чем точность телепортации неперепутанных изображений. Практическая значимость 1. Применение связанных оптических параметрических взаимодействий позволяет решить задачу миниатюризации источников многом одовых перепутанных квантовых состояний. 2. В связанном процессе, состоящем из одного параметрического процесса преобразования частоты вниз и двух процессов преобразования частоты вверх, формируются двухчастотные перепутанные состояния на частотах ниже и выше частоты накачки. Это обстоятельство можно использовать для генерации двухчастотных перепутанных состояний в ультрафиолетовом диапазоне, когда с помощью традиционного параметрического преобразования частоты вниз этого осуществить не удается из-за попадания частоты накачки в область поглощения нелинейного кристалла. 3. Перепутанность между блоками мод, формируемая в исследованном связанном параметрическом процессе, может представлять интерес для передачи информации в квантовой сети. 4. Двухчастотная перепутанность, как одномодовая, так и многомодовая в пространстве, формируемая в связанных параметрических процессах, может быть применена в схемах передачи двухчастотных перепутанных состояний и оптических изображений. Структура и объем работы Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем работы: 163 страниц, включая 85 рисунков. Библиография содержит 133 наименований, в том числе 8 авторских публикаций.