ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
-
Высоковозбужденные (ридберговские) атомы обладают рядом уникальных свойств (большие дипольные моменты и времена жизни, высокая чувствительность к электрическому полю, регистрация одиночных атомов методом полевой ионизации), благодаря которым они перспективны для реализации квантовых вычислений с кубитами на основе одиночных нейтральных атомов, захваченных в оптические ловушки. В лаборатории создана единственная в России экспериментальная установка, в которой осуществляется лазерное охлаждение атомов Rb, их возбуждение в ридберговские состояния и регистрация с разрешением по числу детектируемых атомов [Рис.1(а)-(б)]. Эксперименты выполняются с холодными атомами Rb, захваченными в магнитооптическую ловушку, схема которой показана на Рис.1(а), а ее внешний вид – на Рис.1(в). Охлаждение атомов осуществляется тремя ортогональными парами световых волн с длиной волны 780 нм. В центре ловушки формируется облако из примерно 106 холодных атомов с размером 0,5-1 мм и температурой 100-200 мкК.
Рис. 1. (а) Схема эксперимента с холодными ридберговскими атомами Rb в магнитооптической ловушке (МОЛ).
(б) Схема трехфотонного лазерного возбуждения 5S→5P→6S→nP ридберговских атомов Rb в МОЛ.
(в) Внешний вид МОЛ с вакуумной камерой и оптическим столом.
(г) Внешний вид системы регистрации одиночных ридберговских атомов.
На данной экспериментальной установке ведутся исследования диполь-дипольного взаимодействия отдельных ридберговских атомов и разрабатываются оригинальные схемы выполнения квантовых логических операций на их основе. Сильные дальнодействующие взаимодействия одиночных атомов в ридберговских состояниях делают их привлекательными для применений в квантовой информатике. Нами впервые экспериментально наблюдался резонанс Фёрстера двух холодных ридберговских атомов Rb. Резонансное диполь-дипольное взаимодействие происходило по схеме Rb(37P3/2) + Rb(37P3/2) → Rb(37S1/2) + Rb(38S1/2) путем подстройки ридберговских уровней в точный энергетический резонанс за счет эффекта Штарка в слабом электрическом поле. Ридберговские атомы Rb с температурой 100-200 мкК были локализованы в малом объеме лазерного возбуждения внутри магнитооптической ловушки, оборудованной также системой регистрации ридберговских атомов. Объем возбуждения с размером около 20 мкм формировался на пресечении двух жестко сфокусированных лазерных пучков, возбуждающих начальное ридберговское состояние 37P3/2. Отдельные ридберговские атомы в конечном состоянии 37S1/2 регистрировались с вероятностью 65% с использованием метода селективной полевой ионизации и электронного умножителя каналового типа. В экспериментах при сканировании электрического поля были сделаны записи спектров резонанса Фёрстера для N=1-5 зарегистрированных атомов [Рис.2(a)]. Для теоретической интерпретации полученных результатов было выполнено численное моделирование спектров резонанса методом Монте-Карло для 2-5 взаимодействующих ридберговских атомов, с учетом конечной эффективности регистрации. Хорошее согласие между теорией и экспериментом позволило идентифицировать число реально взаимодействующих атомов. Оказалось, что спектры, записанные для N=1,2 соответствуют взаимодействию преимущественно двух атомов в объеме возбуждения [Рис.2(б)].
Рис. 2. (а) Экспериментальные записи спектров S1-S5 резонанса Фёрстера Rb(37P) + Rb(37P) → Rb(37S) + Rb(38S) для 1-5 зарегистрированных ридберговских атомов.
(б) Расчетное число взаимодействующих ридберговских атомов с учетом конечной эффективности детектора (65%).
I.I.Ryabtsev, D.B.Tretyakov, I.I.Beterov, V.M.Entin, Phys. Rev. Lett., 2010, v.104, p.073003; I.I.Ryabtsev, D.B.Tretyakov, I.I.Beterov, V.M.Entin, E.A.Yakshina, Phys. Rev. A, 2010, v.82, p.053409. -
Основной задачей квантовой криптографии является поиск эффективных алгоритмов и разработка схем практической реализации передачи секретной информации с использованием одиночных фотонов. В 2004 г. нами была создана первая в России лабораторная установка для атмосферной однофотонной квантовой связи [Рис.3(а)]. Основой установки являются четыре импульсных полупроводниковых лазера с рабочей длиной волны 0,8 мкм и четыре кремниевых лавинных фотодиода, которые позволяют передавать и детектировать одиночные фотоны, закодированные в двух неортогональных поляризационных базисах. Были проведены измерения вероятности детектирования одиночных фотонов и исследована статистика сигналов в режиме передачи слабых лазерных импульсов по открытому оптическому каналу длиной 1 м. На этой установке был реализован основной алгоритм квантовой криптографии ВВ84. Получена скорость генерации квантового ключа до 2 кбит/с при тактовой частоте лазерных импульсов 100 кГц. В настоящее время ведется работа по подготовке эксперимента по генерации квантового ключа через атмосферу между двумя удаленными (до 1-10 км) пользователями на основе модернизированной оптической схемы с телескопическим расширением лазерного пучка для уменьшения дифракционных потерь.
В 2006-2013 гг. в ИФП СО РАН была создана лабораторная установка для генерации квантового ключа в протяженных оптоволоконных линиях связи с фазовым кодированием одиночных фотонов в двухпроходной автокомпенсационной оптической схеме [Рис.3(б)]. Для генерации квантового ключа используется протокол BB84 на основе четырех фазовых состояний. Установка собрана из серийных оптоволоконных компонентов. Для детектирования одиночных фотонов применялись специально разработанные фотоприемные модули на основе лавинных фотодиодов. Для управления работой приемного и передающего узлов разработан специальный быстродействующий контроллер. К настоящему времени получены следующие характеристики: эффективная частота лазерных импульсов 1-5 МГц; максимальная скорость генерации просеянного квантового ключа 750 бит/с для квантового канала длиной 25 км и среднего числа фотонов в лазерном импульсе 0,2. В 2012 г. при использовании специальных сверхпроводниковых детекторов, разработанных и изготовленных российской компанией «Сверхпроводниковые нанотехнологии» (Сконтел), была достигнута генерация квантового ключа на расстояние более 100 км, впервые в мире для двухпроходной автокомпенсационной схемы.
Рис. 3. (а) Внешний вид модернизированной экспериментальной установки для генерации квантового ключа в атмосферном квантовом канале с добавленными телескопами для расширения лучей. Справа – модуль Алисы, слева – модуль Боба.
В.Л.Курочкин, И.И.Рябцев, И.Г.Неизвестный, Микроэлектроника, 2006, т.35, №1, с.41.
Рис. 3. (б) Внешний вид экспериментальной установки для генерации квантового ключа в оптоволоконном квантовом канале на основе двухпроходной автокомпенсационной оптической схемы с фазовым кодированием фотонов.
В.Л.Курочкин, А.В.Зверев, Ю.В.Курочкин, И.И.Рябцев, И.Г.Неизвестный, Микроэлектроника, 2011, т.40, №4, с.264. -
Совместно с лабораторией №10 выполняются спектроскопические исследования точечных центров окраски в кристаллах алмаза - центров азотных вакансий (NV-центров), которые рассматриваются в качестве перспективного варианта реализации кубитов твердотельного квантового компьютера, способного работать при комнатной температуре. Основными фундаментальными задачами, которые необходимо решить в этом направлении, являются создание квантовых регистров в виде алмазных наноструктур с решетками одиночных NV-центров или их ансамблей, исследование оптических свойств кубитов на основе NV-центров, а также изучение возможности экспериментальной реализации универсальных одно- и двухкубитовых квантовых логических операций оптическими методами.
В лаборатории создана диагностическая экспериментальная установка на основе перестраиваемого одночастотного лазера на красителе (диапазон длин волн 620-685 нм), перестраиваемого одночастотного полупроводникового лазера с внешним резонатором (диапазон длин волн 633-639 нм) и твердотельного лазера с фиксированной длиной волны 532 нм. В экспериментах лазерный луч фокусируется в образец микроструктурированного кристалла алмаза. Для лазерной адресации к индивидуальным NV-центрам создан прототип конфокального микроскопа с пространственным разрешением 1-2 мкм, обеспечивающий ввод лазерного излучения и вывод фотолюминесценции. Регистрация оптических сигналов осуществляется как с помощью CCD-камеры, формирующей изображение исследуемой области, так и с помощью фотоэлектронного умножителя Hamamatsu H6240-01, работающего в режиме счета фотонов с квантовой эффективностью до 5%. В состав диагностической установки введен также спектрограф PGS-2 для селекции регистрируемых фотонов по длине волны (Рис.4).
Рис. 4. Внешний вид экспериментальной установки для исследования фотолюминесценции NV-центров в кристалле алмаза. На данной установке проведены пробные эксперименты по регистрации фотолюминесценции кристалла алмаза, имплантированного протонами и ионами азота через маску с окнами размером 200×200 мкм. На тестовых структурах с полевыми электродами удалось получить модуляцию интенсивности лазерной фотолюминесценции и изменить соотношение числа отрицательно и нейтрально заряженных NV-центров путем приложения напряжения к электродам. В дальнейшем этот эффект наряду со смещением бесфононной линии одиночного NV-центра может быть использован для локальной адресации в массивах NV-центров. Методами лазерной спектроскопии детально исследованы спектры фотолюминесценции NV-центров для различных образцов алмазных наноструктур (Рис.5) и начаты исследования одиночных NV-центров. Также выполнены эксперименты по возбуждению поверхностных электромагнитных волн с помощью диода металл-окисел-металл в проводящих микроструктурах, которые могут быть использованы для оптической связи между разнесенными в пространстве NV-центрами (плазмонная антенна).
Рис. 5. Записи спектров фотолюминесценции в режиме счёта фотонов для нескольких образцов алмазов с различной концентрацией NV--центров. Узкий пик на длине волны 637 нм соответствует бесфононной линии поглощения NV--центров. -
В лаборатории выполняются комплексные исследования преобразования излучений в фотоинтегрированных микро- и нанопериодных структурах анизотропии в синтезированных материалах с разным химическим составом (Табл. 1). Набор потенциально перспективных образцов различных стекол был разработан ГОИ им. Вавилова. Показано, что эффективность оптического полинга и время хранения фотоинтегрированных микроструктур в образцах могут меняться на несколько порядков величины в зависимости от небольших концентраций активных добавок. Наиболее хорошими активаторами являются редкоземельные элементы (Er, Сe, Gd, Tb), а также оксиды и валентные ионы элементов IV и V групп (Pb, Ti, Nb, Sb, Ge). Найдены “рекордные” стекломатериалы с увеличенной эффективностью нелинейно-оптического преобразования излучения в фотоинтегрированных микроструктурах (на 4 порядка больше по сравнению с образцами германосиликатных стёкол и по порядку величины приближающуюся к значениям c(2) в известных нелинейно-оптических кристаллах). В экспериментах по лазерному оптическому полингу нами были получены фотоинтегрированные микроструктуры, длительно хранящиеся (вплоть до месяца), высоко термостойкие до ~220°С и не разрушающиеся при воздействии лазерного излучения. Экспериментально зафиксировано, что в некоторых образцах синтезированных стекломатериалов можно уменьшить на порядок пороговую плотность мощности использующегося при оптическом полинге лазерного излучения, что даёт возможность формировать контрастные анизотропные микроструктуры большого размера с варьируемым периодом (от 40 мкм до 300 нм).
Табл. 1. Результаты комплексного исследования перспективных стекломатериалов для преобразования лазерного излучения в фотоинтегрированных микроструктурах.
V.A.Smirnov, L.I.Vostrikova, Proceedings of SPIE, 2013, v.8699, p.869916.Выполняются теоретические и экспериментальные исследования процессов выращивания нелинейно-оптических кристаллов из расплавов и растворов. Спонтанная кристаллизация широко используется в промышленности для получения как чистых веществ, так и монокристаллов. Поскольку на стадии нуклеации (зарождения) кристаллов новая твердая фаза имеет нано- и субнанометровые размеры, то старые теории и модели кристаллогенезиса неизбежно должны были претерпеть определенное концептуальное уточнение, обусловленное новыми знаниями в области нанофизики. Классическая капиллярная теория нуклеации рассматривает образование любой новой фазы как флуктуационный последовательный стохастический процесс преодоления параболического энергетического барьера нуклеации с поштучным «присоединением-отрывом» «строительных» атомов (частиц) маточной среды к граням образующегося до-зародыша, изначально имеющему определенное секториально-кристаллическое строение. При этом была пропущена физическая стадия формирования кристаллической структуры до-зародыша из начальных кластеров-ассоциатов жидкой фазы, имеющих разнообразное флуктуирующее строение, которая была еще ранее вполне осознана кристаллографами, однако долго выпадала из теоретического анализа проблемы. Наши исследования показали, что изменение механизма кристаллогенезиса предопределяет наблюдаемый широкий интервал переохлаждаемости растворов электролитов. Разбиение этого интервала на три основных позволило нам четко выявить, что морфологически устойчивый рост кристаллов из растворов зависит как от степени «идеальности-неидеальности» электролитов, так и от кинетики кристаллогенезиса в них. Соответственно, только теоретическое и детальное экспериментальное изучение кинетики кристаллогенезиса впервые открыло нам путь к априорному предсказанию и к поиску технологий роста совершенных кристаллов из различных составов маточной среды, и при варьировании условий этого процесса [B.I. Kidyarov. Physics of the Solid State. 51, № 7, 1435 (2009)].
-
Разработано семейство ионных лазеров: аргоновых, криптоновых и аргон-криптоновых различных моделей. Интегральные мощности составляют: для аргоновых лазеров – от 0,1 Вт до 18 Вт, для криптоновых 1 Вт и 4 Вт, для аргон-криптонового 15 Вт на аргоновых линиях и 4 Вт на криптоновых. Создан малогабаритный аргоновый лазер с воздушным охлаждением М17-04 с интегральной мощностью излучения 3 Вт [Рис.6(а)]. Лазеры предназначены для накачки перестраиваемых лазеров и применения в технологических приложениях и медицине.
Разработан непрерывный полупроводниковый лазер с внешним резонатором, полупроводниковым усилителем и резонансным удвоителем частоты [Рис.6(б)]. Длина волны 478-483 нм, мощность 100-150 мВт, ширина линии < 1 МГц. Лазер предназначен для когерентного двухфотонного возбуждения и прецизионной спектроскопии ридберговских атомов Rb.
Рис. 6(а). Малогабаритный непрерывный аргоновый лазер М17- 04. Интегральная мощность 3 Вт.
Разработка группы В.Л.Ревуцкого.
Рис. 6(б). Непрерывный полупроводниковый лазер с удвоителем частоты, предназначенный для двухфотонного возбуждения и прецизионной спектроскопии ридберговских атомов Rb.
Разработка Ю.Я.Печерского.
