Экспериментально демонстрируется генерация междиапазонных фотонных пар с длинами волн вблизи 0.5 и 1.6 мкм в фотонно-кристаллическом волокне при использовании непрерывной маломощной оптической накачки диодным лазером с центральной длиной волны 0.8 мкм. Установлено, что скорость генерации перепутанных фотонов при непрерывной накачке сопоставима со значениями, получаемыми при использовании импульсной накачки титан-сапфировым фемтосекундным лазером, если средняя мощность непрерывной накачки на порядок превышает среднюю мощность импульсной. Достигнутые скорости генерации фотонов обеспечиваются использованием фотонно-кристаллического волокна с малой эффективной площадью моды и специальным профилем дисперсии, при этом достигнутая низкая зашумленность выходного сигнала обеспечивается разделением несущих частот генерируемых фотонов на разные спектральные диапазоны.
Экспериментально демонстрируется генерация междиапазонных фотонных пар с длинами волн вблизи 0.5 и 1.6 мкм в фотонно-кристаллическом волокне при использовании непрерывной маломощной оптической накачки диодным лазером с центральной длиной волны 0.8 мкм. Установлено, что скорость генерации перепутанных фотонов при непрерывной накачке сопоставима со значениями, получаемыми при использовании импульсной накачки титан-сапфировым фемтосекундным лазером, если средняя мощность непрерывной накачки на порядок превышает среднюю мощность импульсной. Достигнутые скорости генерации фотонов обеспечиваются использованием фотонно-кристаллического волокна с малой эффективной площадью моды и специальным профилем дисперсии, при этом достигнутая низкая зашумленность выходного сигнала обеспечивается разделением несущих частот генерируемых фотонов на разные спектральные диапазоны.
В рамках квантовой модели Раби теоретически показано, что двухуровневый атом генерирует или поглощает фотоны в условиях ультрасильной связи его с электромагнитным полем. Генерация фотонов возможна, если поле первоначально находится в вакуумном состоянии. Возможным, при определенных начальных состояниях системы атом + поле, также является поглощение фотонов в моде поля в режиме ультрасильной связи атома и поля. Если атом в начальный момент времени находится в нижнем (невозбужденном) состоянии, а поле – в вакуумном состоянии, генерация фотонов присутствует в резонансных условиях ωa ≈ ωf , ωa – частота перехода атома, а ωf - частота поля, или ξ ≡ ωa/ωf ≈ 1, в режиме ультра сильной связи. При отрицательной отстройке ξ ≪ 1, ωa ≪ ωf для динамики среднего числа фотонов hˆnit поля характерны осцилляции Раби с 0 ≤ hˆnit ≤ nmax ≫ 1 в случае ультрасильной связи для значений константы связи атома с полем ˜g ≡ |g|/ωf ∼ 1, при этом населенность возбужденного состояния атома составляет Pe(t) ≈ 0.5. В условиях большой положительной отстройки: ξ ≫ 1 генерация фотонов отсутствует: hˆni ≈ 0, а атом остается в исходном состоянии Pe(t) ≈ 0. Статистика фотонов в режиме генерации близка к хаотической: дисперсия фотонов значительно превышает уровень когерентного состояния поля (т.е. является суперпуассоновской). Поглощение фотонов поля без возбуждения атома присутствует в режиме ультра сильной связи в случае когерентного начального состояния поля (hˆn(t = 0i > 0) для определенных положительных значений отстройки. При этом поле становится субпуассоновским.
Проведен анализ влияния атмосферных факторов на квантовую гибридную систему связи с атмосферным оптическим сегментом. Разработана модель доступности квантового атмосферного канала связи на основе оценки скорости генерации просеянного ключа, возможности приема квантов света приемником одиночных фотонов и ключевых параметров распространения оптического сигнала. Приведены результаты расчетов максимальной рабочей дальности квантовой связи для типичных погодных условий в Центральном регионе России при различных характеристиках оборудования квантовой системы связи, которые могут использоваться при проектировании всепогодных квантовых систем связи. An analysis of the impact of atmospheric factors on a quantum hybrid communication system with an atmospheric optical segment was conducted. A model for the availability of a quantum atmospheric communication channel was developed based on an assessment of the sieved key generation rate, the ability of a single-photon receiver to receive light quanta, and key optical signal propagation parameters. Calculations of the maximum operating range of quantum communication under typical weather conditions in the central region of Russia, with various characteristics of the quantum communication system equipment, are presented. These calculations can be used in the design of all-weather quantum communication systems.
Для процесса внутрирезонаторной генерации субгармоники исследована динамика корреляции флуктуаций числа фотонов взаимодействующих мод. Показано, что эта корреляция сильно зависит от коэффициента нелинейной связи между модами. В случае малых коэффициентов связи корреляция флуктуаций числа фотонов мала. При росте коэффициента связи корреляция растет (состояние подсистем начинает перепутываться) и, начиная от некторого значения коэффициента связи, при его дальнейшем росте начинает заново уменьшаться, и постепенно стремится к нулю (перепутанность между состояниями подсистем уменьшается). Исследована также квантовая динамика числа фотонов, квантовой энтропии и функции Вигнера стационарного состояния фундаментальной моды и моды субгармоники. Показано, что динамики этих величин тоже сильно зависят от значения коэффициента связи между взаимодействующими модами. Для больших значений коэффициента связи между модами показано, что мода субгармоники в больших временах взаимодействия локализуется в двухкомпонентном состоянии с одинаковой вероятностью обнаружения моды в каждой компоненте состояния. Квантовая энтропия этого состояния меньше максимальной энтропии двухкомпонентного состояния ln2, что показывает наличие квантово-механической интерференции между компонентами состояния моды субгармоники.
Динамика нестационарной квантовой системы, гамильтониан которой явно зависит от времени, называется адиабатической, если ее состояние, совпадающее с собственным состоянием гамильтониана в начальный момент времени, остается близко к этому собственному состоянию в течение всей эволюции. При этом степень такой близости зависит от малости параметра, определяющего скорость изменения гамильтониана. Обычно считается, что один из факторов, играющих решающую роль для стабильности адиабатической динамики, - это структура спектра гамильтониана. Как утверждает квантовая адиабатическая теорема в своей обычной формулировке, отклонение от адиабатической эволюции можно оценить сверху отношением скорости изменения гамильтониана к минимальному расстоянию между энергией состояния, которое аппроксимирует адиабатическую динамику, и остальным спектром гамильтониана. Проводится анализ этой зависимости. Доказаны теоремы, показывающие, что на эффективность адиабатической аппроксимации больше влияет скорость изменения собственных векторов гамильтониана, чем динамика спектра. В подавляющем большинстве физически осмысленных случаев оказывается, что если мы можем контролировать динамику собственных векторов, то этого достаточно для обеспечения адиабатичности вне зависимости от динамики спектра как таковой.
В рамках фурье-анализа были исследованы световые сдвиги резонансов когерентного пленения населенностей в периодически модулированном лазерном поле, когда частота модуляции варьируется вблизи дробной частоты сверхтонкого расщепления в основном состоянии атомов Δ/ (где = 1, 2, 3, ...). Такой тип модуляции обычно имеет место в малогабаритных часах с полупроводниковым лазером, когда ток инжекции гармонически модулирован на частоте , либо при использовании электрооптического или акустооптического модулятора. При этом формируется полихроматическое эквидистантное излучение, в котором имеются только две частотные компоненты, наиболее резонансные рабочим оптическим переходам в атоме, в то время как все остальные частотные компоненты являются относительно нерезонансными. На основе точных численных расчетов мы показали, что широко распространенная точка зрения, согласно которой сдвиг резонанса когерентного пленения населенностей определяется обычным квадратичным штарковским сдвигом нижних атомных уровней, является, в общем случае, существенно некорректной. Это обусловлено тем, что в общем случае дополнительный вклад в световой сдвиг резонанса когерентного пленения населенностей, обусловленный биениями (на частоте Δ) между различными нерезонансными частотными компонентами, может быть сопоставим (или даже доминировать) по отношению к величине стандартного штарковского сдвига. Более того, эти биения являются фазовочувствительными. Поэтому даже наличие детальной информации о спектральном составе модулированного излучения (например, с помощью спектр-анализатора) не является достаточным для определения светового сдвига резонанса когерентного пленения населенностей.
Рассмотрена гибридная наносистема, состоящей из резонатора, сильно связанного с активной молекулой, и подверженного когерентной накачке высокой интенсивности. Показано, что если частота волны накачки близка к поляритонным переходам в гибридной системе, возникает немонотонная зависимость амплитуд флуоресценции и рассеяния от интенсивности накачки с узким резонансым откликом. Показано, что это явление возникает из-за гибридизации нижних и верхних поляритонов с существенно разными числами возбуждения. Такая гибридизация возможна только в случае высокой интенсивности поля накачки. Полученная немонотонная зависимость амплитуд флуоресценции и рассеяния от интенсивности накачки открывает перспективы создания нелинейных оптических устройств.