УСТРОЙСТВО ПОЛЯРИТОННОГО КРИСТАЛЛА ДЛЯ ЗАПИСИ И ХРАНЕНИЯ КВАНТОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для использования в областях обработки и хранения данных оптическими способами - квантовой информации, телекоммуникации.
Аналогом полезной модели является устройство, созданное на основе алмазной структуры с центрами окраски - азото-замещенными вакансиями или NV-центрами (научная публикация: Wrachtrup J., Kilin S.Ya., and Nizovtsev A.P. Quantum computation using the 13C nuclear spins near the single NV defect center in diamond // Optics and Spectroscopy. - 2001. - Vol.91. - P. 429-437). Существенными недостатками алмазных NV-центров являются чувствительность их характеристик к конкретному атомному окружению, очень слабая интенсивность оптических переходов без участия фононов и сложность получения периодических структур на их основе.
Другим аналогом полезной модели является решетка атомов в связанных резонаторах, описанная в Greentree A.D., Tahan С, Cole J.H., and Hollenberg L.C.L. Quantum phase transitions of light // Nature Physics. - 2006. -Vol.2. - P. 856-861. Ее недостатком по сравнению с полезной моделью является, во-первых, наличие только фотонной связи между резонаторами, а во-вторых, линейность отклика системы.
Известно также устройство, созданное на основе полупроводниковых квантовых ям (квантовых точек), помещенных в брэгговские микрорезонаторы. Устройство представляет собой пространственно-периодическую полупроводниковую (CdTe/CdMgTe или GaAs) структуру с дефектами, которые являются оптическими микрорезонаторами. В каждый дефект помещена полупроводниковая квантовая яма (квантовая точка). В устройстве формируются бозонные частицы, называемые экситон-поляритонами (научные публикации: Kasprzak J., Richard М., Kundermann S. Bose-Einstein condensation of exciton polaritons // Nature. - 2006. - Vol.443. -№7110. - P. 409-414; Balili R., Hartwell V., Snoke D., et al. Bose-Einstein Condensation of Microcavity Polaritons in a Trap // Science. - 2007. - Vol.316. - №5827. - P. 1007-1010). Примем данное устройство за прототип. Прототип имеет следующие недостатки: крайне малое время когерентности экситон-поляритонов, экстремально низкая температура (до пяти кельвинов), при которой функционирует устройство, слабый нелинейный отклик среды.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение времени когерентности частиц, используемых для хранения информации, усиление нелинейного отклика среды, а также повышение критической температуры функционирования устройства.
Поставленная цель достигается при помощи устройства поляритонного кристалла для записи и хранения квантовой информации, включающего полупроводниковую решетку с периодическими дефектами, являющимися оптическими микрорезонаторами, при этом в каждый дефект помещен кластер атомов с возможностью связи между соседними микрорезонаторами за счет туннелирования атомов и фотонов
Полезная модель поляритонного кристалла позволяет эффективно управлять групповой скоростью светового импульса и формировать так называемый медленный свет. Именно для задач копирования (записи) и хранения квантовой информации эта проблема является принципиальной. Физически время записи квантовой оптической информации определяется временем задержки светового импульса в среде. Само изменение величины групповой скорости распространяющегося в таких системах светового импульса непосредственно связано с формированием поляритонов, образованных линейной суперпозицией фотонов внешнего (пробного) светового поля и макроскопических (когерентных) возмущений среды. Для реализации указанных возможностей предполагается задействовать нелинейные среды желательно с большими набегами фаз на один фотон.
3
Первым существенным признаком, необходимым для достижения технического результата, является использование в качестве основы фотонного кристалла с дефектами - полупроводниковой микро- или наноструктуры с локально нарушенной пространственной периодичностью. Созданные на основе фотонных кристаллов средствами нанотехнологий и нанофотоники цепочки связанных микрорезонаторов - называемые оптические волноводы связанных резонаторов (CROW's), являются эффективным инструментом контроля характеристик распространения светового излучения - условия, необходимого для осуществления обработки оптической информации. Наиболее перспективным является применение микрорезонаторов нового поколения с высоким уровнем добротности, с объемом порядка λ, где λ - длина волны света, для которых условие сильной связи выполняется вплоть до одиночного атома. В этом случае удается получить кубично-нелинейный отклик среды для относительно малого, в пределе единичного числа фотонов.
Вторым существенным признаком является использование в качестве многоуровневой энергетической структуры именно атомных кластеров. Это позволяет принципиально достичь отталкивающего взаимодействия поляритонов как носителей информации, повысить нелинейный отклик системы, значительно увеличить время когерентности среды и поля. При этом образование поляритонов становится возможным при высоких температурах, вплоть до комнатных. Кроме того, использование поляритонов, находящиеся в состоянии конденсации как когерентные волновые пакеты, распространяющиеся в среде, позволяет достичь беспрецедентно высокой надежности обработки информации.
Третьим существенным признаком является возможность связи соседних ячеек периодической микрорезонаторной структуры полезной модели за счет туннелирования как атомов, так и фотонов поля в плоскости поляритонного кристалла.
На фиг.1 представлено схематическое изображение полезной модели поляритонного кристалла. В качестве основы выступает фотонный кристалл 1 с дефектами 2. В каждый из дефектов помещен кластер атомов 3. Для захвата атомов используется оптическая решетка 4, представляющая собой стоячую волну, минимумы которой совпадают с положением дефектов.
На фиг.2 представлена зависимость параметра D=Δ/|2g|, характеризующего тип поляритонов в поляритонном кристалле, от нормированного времени Т, описывающая трехшаговый алгоритм записи и хранения квантовой оптической информации с помощью структуры поляритонного кристалла. Цифрами обозначены стадии записи информации (1), ее хранения - (2), и считывания (восстановления) оптической информации - (3).
В основе полезной модели лежит фотонный кристалл 1 на фиг.1 с периодическими дефектами 2 на фиг.1, выступающими в качестве оптических микрорезонаторов с высокой добротностью. В целях формирования узлов фотонного кристалла на полупроводниковой основе, а также для создания периодических дефектов применяется широко известный метод травления через маску (Vučkovic J., Lončar М., Mabuchi Н., et al. Design of photonic crystal microcavities for cavity QED // Physical Review E. - 2001. -Vol.65. - №1. - P. 016608-1 - 016608-11; Lončar M., Yoshie Т., and Scherer A. Low-threshold photonic crystal laser // Applied Physics Letters. - 2002. - Vol.81. -№15. -P. 2680-2682).
Характерные пространственные размеры микрорезонаторов - не более нескольких микрометров. В каждый дефект структуры помещается, малое, но макроскопическое (от 50) число атомов 3 на фиг.1. Захват и перемещение атомов возможно средствами атомно-силовой микроскопии - см. distance О, Perez R. and Morita S. atomic force microscopy as a tool for atom manipulation // Nature Nanotechnology. - 2009. - Vol.4. - P. 803-810.
Для удерживания атомов в области дефектов интерферирующими лазерными пучками создается оптическая решетка 4 на фиг.1, минимумы которой совпадают с положением дефектов.
Число атомов в каждом резонаторе и форма полезной модели не регламентированы и могут диктоваться требованиями потенциального пользователя.
Работает устройство следующим образом.
Хранение квантовой оптической информации с помощью структуры ПК предполагает трехшаговый физический алгоритм реализации - см. фиг.2.
На первой стадии, для записи квантовой информации выбираем большую по значению и отрицательную отстройку Δ<<-2g, где g - параметр, описывает атомно-оптическую связь, Δ характеризует разницу частот оптического поля и атомных переходов. В данном случае поляритоны нижней дисперсионной ветви являются фотоноподобными, и распространяются благодаря туннелированию фотонов в решетке поляритонного кристалла. Волновой пакет при этом распространяется со скоростью, близкой к скорости света в вакууме.
На втором этапе, для отображения оптической информации на когерентные атомные возмущения среды мы переключаем отстройку, сделав ее положительной. В этом пределе поляритоны нижней ветви становятся атомоподобными и их скорость соответствует скорости перемещения атомов в решетке. Скорость поляритонов удается снизить на несколько порядков относительно скорости света, и она может достигать значений от нескольких метров, до нескольких километров в секунду. Информация, содержащаяся в световом пучке, при этом полностью записывается на атомные возмущения. Например, в случае взаимодействия светового поля с атомами рубидия в отсутствии эффектов декогерентности характерное временя расплывания пакета равно 13,7с при ширине входного пучка 0,04 см.
На третьей стадии, для восстановления оптической информации на выходе из среды через некоторый временной интервал, определяющий время хранения информации, мы снова делаем поляритоны фотоноподобными, переключая отстройку Δ в обратном порядке.
Таким образом, модель поляритонного кристалла соответствует новой квантовой структуре, в которой достигается большая нелинейность, увеличивается время когерентности и повышается значение критической температуры образования поляритонов, являющихся носителями информации.