Предложены нанооптические схемы для квантовой памяти и усиления взаимодействия слабых световых полей на интерфейсе диэлектрик/метаматериал, содержащем систему резонансных атомов.

Отдел химической физики, лаборатория квантовой динамики и квантовой информатики.

Основываясь на возможности возбуждения слабозатухающих поверхностных поляритонов на интерфейсе диэлектрик и метаматериал с отрицательным показателем преломления, мы предложили реализацию большой взаимной фазовой модуляции между двумя взаимодействующими поверхностными поляритонами, распространяющимися в условиях двойной электромагнитно индуцированной прозрачности (см. рис. 1).

Рис. 1. Пространственная и временная схема взаимодействия двух медленно поляритонных импульсов, распространяющихся с групповыми скоростями ν_b > ν_a, (белый и красные импульсы в начале и после взаимодействия) в присутствии контролирующего светового импульса (голубой цвет). 

При этом мы обнаружили усиление взаимной фазовой модуляции поляритонов благодаря значительному росту амплитуды их электрического поля вблизи поверхности интерфейса. Было также обнаружено, что такое взаимодействие двух слабых поляритонных импульсных полей посредством их взаимодействия с системой резонансных атомов может приводить к появлению относительного сдвига фазы порядка «пи» даже для импульсов, содержащих по одному фотону каждый.

Предложенная схема обеспечивает однородную взаимную фазовую модуляцию для двух неклассических световых импульсов, когда они успевают полностью провзаимодействовать в среде, распространяясь с достаточно отличными групповыми скоростями. Мы изучили применение этой схемы для неразрушающих квантовых измерений числа фотонов в световом импульсе и для реализации квантового вентиля контролируемой фазы в квантовой информатике. При этом мы проанализировали свойства гамильтоновой и негамильтоновой динамики во взаимодействии поляритонов, приводящего к однородной взаимной фазовой модуляции. Проведенный анализ позволил установить наиболее предпочтительные условия для реализации фазовой модуляции, сопровождающейся слабыми квантовыми шумами, и показали, что такая модуляция возникает при одинаковой величине фазовых сдвигов у обоих световых импульсов. Развитый подход к формированию слабозатухающих поляритонных полей был нами применен для реализации нано-оптической квантовой памяти на фотоном эхо, используя взаимодействие поляритонов с системой атомов, обладающей неоднородным характером уширения рамановского перехода. Мы установили специфические свойства данной техники квантовой памяти и показали её возможности для эффективного сохранения многомодовых световых полей в нано-размерных оптических системах. 

Публикации:

1. A. Kamli, S.A. Moiseev, B.C Sanders: Coherent Control of Low Loss Surface Polaritons // Phys. Rev. Let. 101, 263601 (2008).
2. S.A. Moiseev, A.A. Kamli, B.C. Sanders: Low-loss nonlinear polaritonics // Phys. Rev. A 81, 033839 (2010).
3. K.-P. Marzlin, Z.-B. Wang, S.A. Moiseev, B.C. Sanders: Uniform cross phase modulation for nonclassical radiation pulses // J. Opt. Soc. America B, 27, № 6, A36-A45 (2010).
4. S.A.Moiseev, E.S.Moiseev: Multi mode nano scale Raman echo quantum memory // The book of the NATO Workshop: "Quantum Cryptography and Computing" Amsterdam, (R. Horodecki, S.Ya. Kilin, J. Kowalik (eds.), IOS Press, 2010, p.212-223).