Способ приготовления перепутанных состояний однофотонного поля и квантовой памяти для квантовых повторителей Российский патент 2024 года по МПК G02F3/00 G02F1/35 H04B10/70 H04B10/291 

Техническое решение относится к области нелинейной и квантовой оптики, а именно к способу генерации двухфотонных состояний и записи одного из фотонов в квантовой памяти для увеличения эффективности работы квантовых повторителей.

В 1998 году была предложена схема так называемого «квантового повторителя», позволяющая масштабировать квантовые коммуникации, целью которых является расширение диапазона квантовой связи на большие расстояния (Н. Briegel, W. Duer, J.L. Cirac & P. Zoller, Phys. Rev. Letter, 81, 5932). Использование квантовых повторителей дало толчок исследованиям в области квантовой памяти, которые позволяют хранить фотоны в среде и извлекать такие сохраненные фотоны в нужный момент времени. Наиболее известный вариант реализации квантового повторителя с использованием атомной квантовой памяти был предложен в 2001 г. [Duan, L, Lukin, М., Cirac, J., Zoller P., Nature 2001, 414, 413-418]. В настоящее время этот протокол квантового повторителя называется протоколом DLCZ. Обзор разработок в области квантовой связи на большие расстояния на основе квантовых повторителей представлен, например, в работах [N. Sangouard, С. Simon, Н. de Riedmatten, and N. Gisin, Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics. Rev. Mod. Phys., 83, 33 (2011); Munro, W.J., Azuma, K., Tamaki, K., Nemoto, K. Inside Quantum Repeaters. Ieee J Sel Top Quant 21, 78 (2015); Yan, P.-S., Zhou, L., Zhong, W. & Sheng, Y.-B. A survey on advances of quantum repeater. Europhys Lett 136, 14001 (2021)].

Квантовая память является основной частью квантового повторителя, поскольку именно она позволяет синхронизировать случайные процессы генерации перепутанных состояний и обмена перепутыванием. При этом эффективность записи и воспроизведения квантовых состояний света в устройствах квантовой памяти является одним из основных факторов, определяющих возможность масштабирования протокола на большие расстояния.

В заявке [WO2011073656A1, 23.06.2011] описаны система квантовой памяти на энергетических уровнях цезия с общей эффективностью 15%.

В патенте [RU2661287 13.07.2018] описывают конкретную систему квантового распределения ключей (КРК) с поляризационным кодированием и использованием квантового повторителя. Техническим результатом в патенте заявлено увеличение длины квантового канала за счет использования квантового повторителя. При этом непосредственно сам повторитель как устройство не описан.

Патенты [US7317574 В2, 08.01.2008 и US7532400 В2 12.05.2009], принадлежащие MagiQ Technologies (US), описывают один из наиболее известных протоколов квантовых коммуникаций с использованием квантовых повторителей - DLCZ. Изобретение направлено на обеспечение квантовых коммуникаций на больших расстояниях. Изобретение приводит одно из первых описаний реализуемого на практике устройства с использованием линейных оптических элементов, детекторов одиночных фотонов, атомных ансамблей (это важное отличие, что не используются одиночные квантовые системы) и лазеров. Особенностью данной схемы является то, что одиночные фотоны генерируются в среде под действием лазерной накачки, и не используются отдельные источники фотонов. С одной стороны, эта схема проще для реализации из-за возможности создания перепутанного состояния между памятью и одиночным фотоном в самом процессе генерации. С другой стороны, она затрудняет мультиплексирование (в среде может храниться одновременно только одно квантовое состояние) и не позволяет получать фотоны на длинах волн, существенно отличающихся от длины волны квантовой памяти, что требует применение частотных конверторов для реализации протокола квантового повторителя через оптоволоконные каналы связи. Также использование в протоколе DLCZ однофотонного состояния в двух оптических модах накладывает требование на стабилизацию фазы (то есть поддержки постоянной разности длин используемых волокон с точностью порядка длины волны). Аналогичный принцип создания и хранения одиночных квантовых систем описан в заявке [US2008258049 А1, 23.10.2008], которая не получила статус патента.

Семейство патентных документов, состоящее из национального патента JP4162687 и заявок US2008089696 и ЕР 1865657 (заявки признаны отозванными), патентообладатель и заявитель Toshiba Corp.(JP), описывает общие принципы системы КРК с использованием квантового повторителя с описанием его устройства на уровне схемы с функциональными узлами. Изобретение основано на коллективных, а не на одночастичных возбуждениях в атомных ансамблях, и должно приводить к полиномиальному масштабированию эффективности связи с общей длиной канала связи. Перечислены основные этапы работы квантового повторителя, в том числе обмен и очищение перепутывания (entanglement swapping and purification).

Семейство патентных документов, включающее патенты GB2470081, JP5414006, US9264226, US8781334 и заявки GB2470069 и KR20120028876 (заявки признаны отозванными), одним из правообладателей является Hewlett-Packard (US), описывает процесс передачи запутанности фотонов на большие расстояния посредством квантовых повторителей. Описаны функции квантового повторителя, конкретная реализация квантового повторителя не приведена.

Патент US9270385 описывает систему и метод передачи квантовой информации с помощью нескольких пар запутанных фотонов, причем для передачи свойств запутывания от первых фотонов пар запутанных фотонов вторым фотонам пар запутанных фотонов используется некий поглотитель, устройство и свойства которого не описаны.

Патент US7518120 описывает масштабируемые сети квантовой связи, сформированные за счет использования ряда удаленных узлов, каждый из которых включает ионную ловушку, и использования вероятностного фотонно-опосредованного запутывания между ионами в каждой ионной ловушке. Узлы разделены расстоянием, меньшим, чем длина затухания фотонов, испускаемых захваченными ионами.

Заявка WO2020263618 Corning Inc. (US) описывает возможности улучшения скорости работы недоверенного узла в протяженной линии квантовых коммуникаций за счет расположения в каждом узле нескольких квантовых повторителей и осуществления их взаимодействия. Как конкретно реализованы указанные квантовые повторители - не описано.

Семейство патентных документов, включающее патенты US8135276, CN101401116, JP5082039, правообладатель Hewlett-Packard (US), описывает квантовый канал связи с квантовыми повторителями, где свет используется для передачи квантового состояния, а «материальные системы» используются для квантовой памяти. Подробно расписан процесс передачи квантового состояния, но конкретных примеров реализованной квантовой памяти не приведено.

В семействе патентных документов, включающем патенты US7889992, CN102498496, GB2505633, JP5079173, правообладатель IBM (US), для масштабирования линий квантовых коммуникаций предложен гибридный сверхпроводниково-оптический квантовый повторитель, содержащий оптическую подсистему, сконфигурированную для приема оптического сигнала через оптический канал, и сверхпроводниковую подсистему, соединенную с оптической подсистемой через среду передачи микроволн. Оптическая подсистема сконфигурирована для приема оптического сигнала через оптический канал и преобразования с понижением частоты фотона оптического сигнала в микроволновый фотон в выходном микроволновом сигнале, который выводится в сверхпроводниковую подсистему через среду передачи микроволн. Подсистема сверхпроводника хранит квантовое состояние микроволнового фотона и передает микроволновый фотон по выходному каналу из подсистемы сверхпроводника. Конкретных примеров реализации такого квантового повторителя не приведено.

Из европейского патентного документа от 2009 года известна архитектура системы квантового ретранслятора [ЕР2909955 В1], в представленной системе квантового ретранслятора используется явление запутанности пары фотонов, которое переносится на дальнейшие доверенные узлы оптической связи, где запутанность переносится на дальнейшие узлы. Приложения настоящей архитектуры включают квантовое распределение ключей (QKD) и квантовые вычисления. В современном состоянии известны аналогичные квантовые ретрансляторы, основанные на протоколе DLCZ, имеющие аналогичную архитектуру [Jian-Wei Pan et al., Phys. Rev. Lett., 2007, 98, 240502].

Предметом изобретения в патентной заявке WO2021245529A1 является система генерации поляризационно-запутанных пар фотонов для повторения квантового сигнала на расстоянии, содержащая многомодовую квантовую память. Эффективность записи в квантовую память не обсуждается.

Так, в работе [Liu, X., Hu, J., Li, Z.F. et al. Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories. Nature 594,41-45 (2021)] сообщается о разработке КРК на основе квантовой памяти с эффективностью всего 14,3%. Рекордные значения эффективности квантовой памяти соответствуют 60-70%, например в работе [Lixia Mai, Xing Leil, Jieli Yan et al. High-performance cavity-enhanced quantum memory with warm atomic cell (2022)] сообщается о достижении 67% эффективности квантовой памяти на атомах Rb. Что касается формы контроля формы однофотонных импульсов получаемых в процессе СПР, то основной упор в научной литературе делается на использование амплитудных модуляторов (например [Phys. Rev. В 101, 205304 (2020)]), которые, в свою очередь, не только очень дорогостоящие, но и их характеристики далеки от идеала для однофотонных импульсов.

Таким образом, описанные в приведенных выше патентных документах технические решения являются средствами квантовых коммуникаций. Во всех патентных документах основной элемент, определяющий возможность масштабируемости линии квантовой связи, - квантовый повторитель - приведен фактически либо как элемент блок-схемы, либо как схема с функциональными узлами, зато подробно описаны операции, которые квантовый повторитель должен осуществлять.

Однако совокупность описанных существенных признаков квантового повторителя и квантовой памяти, на основе которой он создается, не позволяет утверждать, что изобретения раскрыты с достаточной полнотой, чтобы позволить оценить протокол взаимодействия однофотонного излучения с квантовой памятью. Не уделяется внимания эффективности взаимодействия однофотонного излучения с квантовой памятью.

Основным источником перепутанных пар фотонов, который используется для реализации протоколов квантового повторителя, является спонтанное параметрическое рассеяние. Как известно, спектральная ширина поля спонтанного параметрического рассеяния (СПР) в нелинейных кристаллах составляет несколько ТГц, что приводит к низкой спектральной яркости однофотонного источника и ограничивает эффективность взаимодействия генерируемых фотонов с атомными системами. Для генерации узкополосных пар фотонов нелинейный кристалл может быть помещен внутрь оптического резонатора, выполняющего роль активного фильтра. СПР в такой системе соответствует параметрическому генератору света (ПГС), работающему ниже порога генерации. Поскольку область дисперсии резонатора намного меньше спектральной ширины фазового синхронизма СПР в нелинейном кристалле, отдельные фотоны в конкретной моде резонатора могут быть получены путем соответствующей фильтрации выходного сигнала. Результирующая временная форма однофотонного волнового пакета после оповещения оказывается двусторонней экспоненциальной или односторонней экспоненциальной, в зависимости от условий резонанса и оповещения.

С другой стороны, для высокоэффективной записи и последующего воспроизведения одного из фотонов в устройство квантовой памяти, в качестве последней можно использовать атомный ансамбль, помещенный в резонатор. Использование резонатора позволяет достичь высокой эффективности взаимодействия атомов с полем в случае оптически тонких сред, для которых достигаются максимальные времена когерентности и, следовательно, времена памяти. Наличие многоатомного ансамбля делает квантовую память многомодовой и дает возможность повысить эффективность квантового повторителя за счет методов мультиплексирования. При этом возникает задача эффективного извлечения фотона из источника и ввода его в устройство квантовой памяти, что подразумевает, в частности, согласование спектральных характеристик источника фотонов и квантовой памяти. Как минимум, необходима синхронизация рабочей длины волны двух независимых устройств, а также оптимизация либо формы однофотонного волнового пакета, либо формы линии поглощения. Например, нарастающие экспоненциальные импульсы и более сложные импульсы оптимальны для поглощения в квантовой памяти на основе атомных систем. Тем самым, можно максимально эффективно использовать всю полосу поглощения устройств квантовой памяти, независимо от ее профиля. Это оказывается особенно удобным в случае квантовых повторителей, когда фотоны записываются и воспроизводятся в устройствах квантовой памяти только один раз.

Для эффективной работы квантового повторителя необходимо длительное хранение квантовых состояний в устройстве квантовой памяти, что подразумевает перенос когерентности на долгоживущие уровни атомной системы. Таким образом, в качестве носителя квантовой информации предполагается использование многоуровневых систем атомов, в которых запись и воспроизведение оптических полей осуществляется с помощью внешнего контрольного поля.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи увеличения эффективности записи одного из коррелированных фотонов, генерируемых в процессе СПР, в квантовой памяти и как следствие увеличения эффективности протоколов квантового распределения ключей, устраняя недостаток, связанный с необходимостью сначала извлечения фотона из источника, а затем его загрузки в квантовую память. При этом минимизируются потери на пути фотона от источника в квантовую память, а также исчезает необходимость в синхронизации рабочей длины волны источника и квантовой памяти. Одновременно, по сравнению с известной схемой DLCZ, остается возможность генерации второго фотона на длине волны оптоволоконного канала связи и использования различных способов мультиплексирования, присущих многоатомной квантовой памяти.

Указанная задача решается и технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается предлагаемым способом приготовления перепутанных состояний однофотонного поля и квантовой памяти для квантовых повторителей с использованием явления спонтанного параметрического рассеяния света в резонаторе, содержащем ансамбль многоуровневых атомов, включающий:

- воздействие на нелинейную среду в резонаторе импульсом накачки при котором наблюдается явление спонтанного параметрического рассеяния света с испусканием холостого фотона на длине волны оптоволоконного канала связи и сигнального фотона на длине волны моды резонатора,

- запись сигнального фотона в квантовую память посредством воздействия импульсом контрольного поля на атомный ансамбль в резонаторе,

- воспроизведение сигнального поля в резонаторе посредством воздействия считывающего контрольного поля на атомный ансамбль в резонаторе.

Способ дальнодействующего КРК приведен на фиг. 1а, он состоит в использовании двух источников перепутанных пар фотонов 1. Сигнальные фотоны направляются в центральный узел 2, где выполняется измерение состояния Белла, а холостые фотоны направляются в устройства квантовой памяти 3. При успешном измерении состояния Белла в центральном узле 2 создается перепутанное состояние между удаленными устройствами квантовой памяти 3. Способ приготовления и записи однофотонных состояний осуществляют на установке, оптическая схема которой представлена на фиг. 1б. Установка состоит из следующих основных узлов: источника импульсов накачки и импульсов контрольного поля 4, оптического резонатора 5, нелинейного кристалла 6 и квантовой памяти 3.

В результате накачки лазером 4 квадратично-нелинейного кристалла 6 с периодической доменной структурой, помещенного в оптический резонатор 5, наблюдается невырожденный режим спонтанного параметрического рассеяния света, при котором рождаются фотоны на длинах волн квантовой памяти (сигнальное поле) и 1550 нм (холостое поле). Оптический резонатор 5 рассчитан таким образом, что длина перетяжки соответствует размерам кристалла 6. Зеркала резонатора имеют высокой коэффициент отражения только на длине волны сигнального поля, а для холостого поля и поля накачки являются прозрачными. Такая схема называется однорезонаторным ПГС. Одно из зеркал резонатора является глухим, а второе - выходным.

Двухфотонная амплитуда поля СПР, рассчитанная в предположении, что импульс накачки начинается в момент времени t=0 а заканчивается в момент времени t=T, описывается следующей формулой:

где Г - ширина линии резонатора, θ - ступенчатая функция Хевисайда, а функция F(t) определяется как произведение амплитуды накачки E_p(t) на функцию затухания резонатора exp(-Tt/2). Таким образом, при воздействии короткого импульса накачки на нелинейный кристалл рождается пара фотонов, у которой холостой фотон является таким же коротким, как и импульс накачки, а сигнальный фотон оказывается запертым в резонаторе и принимает форму затухающего экспоненциального импульса по мере выхода излучения из резонатора. Одновременно с действием импульса накачки включается импульс контрольного поля и запускается процедура записи сигнального поля в квантовую память 3. Информация в квантовой памяти хранится, как минимум, до тех пор, пока не выполнится измерение состояния Белла с холостыми фотонами, поступившими в центральный узел. Далее при необходимости включается считывающее контрольное поле, в результате чего происходит восстановление сигнального поля в резонаторе 5.

Действие контрольного поля сводится к тому, что амплитуда сигнального поля в резонаторе затухает как ехр(-(Г+Г')t/2), где Г' - дополнительная скорость затухания за счет поглощения многоатомной системой. Эффективность записи при этом равна Г'/(Г+Г'). Чем больше соотношение Г'/Г, тем больше эффективность записи и меньше потери сигнального поля через выходное зеркало.

Длительность импульса накачки ограничена снизу обратной величиной области дисперсии ПГС. В этом случае частотная полоса холостого фотона однозначно связана с модой сигнального и с помощью частотной фильтрации холостых фотонов можно выбирать пары фотонов, в которых сигнальный фотон соответствует частоте квантовой памяти. Для резонаторов с резкостью порядка 100 импульсы накачки могут быть в 100 раз короче времени затухания поля в резонаторе, что позволяет практически сразу запустить процесс записи сигнального поля и достичь эффективности записи, близкой к 100%.

В случае однорезонаторного ПГС и фильтрации одной моды суммарный поток генерируемых фотонов снижается по сравнению с СПР в свободном пространстве (при заданных нелинейном кристалле и мощности накачки). Усиление резонатора проявляется в увеличении числа фотонов на моду поля СПР, что в рассматриваемом случае пропорционально резкости резонатора F, а количество мод уменьшается пропорционально отношению Г/Δ_СПР, где Δ_СПР - спектральная ширина СПР в свободном пространстве. Поскольку Г=Δ_FSR/F, где Δ_FSR=2πс/(2Ln) - область дисперсии (L - длина резонатора, n - показатель преломления среды для резонансного поля), общее изменение определяется как Δ_FSR/Δ_СПР. Максимальное значение достигается при уменьшении длины резонатора до длины кристалла, а для СПР II типа обычно имеем СПР≈5/DL, а Δ_FSR/Δ_СПР≈cD/(2n), где D - разность между обратными групповыми скоростями сигнального и холостого фотонов в нелинейном кристалле. Таким образом, уменьшение общего потока однофотонных состояний не зависит от длины L и составляет порядка 10^-2 для типичных материалов, таких как β-борат бария. Следовательно, в целом более эффективно использовать кристаллы с периодической модуляцией нелинейности, что приводит к более высокому выходу фотонов. В частности, подобные кристаллы могут быть изготовлены таким образом, чтобы волновые векторы поля накачки и полей СПР были параллельны осям кристалла. В результате, ортогональный сигнальный и холостой лучи не испытывают поперечного сноса, что позволяет увеличить полезную длину нелинейных кристаллов и тем самым достичь более высоких скоростей генерации.

Изобретение относится к области нелинейной и квантовой оптики, а именно к способу генерации двухфотонных состояний и записи одного из фотонов в квантовой памяти для увеличения эффективности работы квантовых повторителей. Способ приготовления перепутанных состояний однофотонного поля и квантовой памяти для квантовых повторителей включает воздействие на нелинейную среду в резонаторе, в котором одновременно размещены источник нелинейной среды и квантовая память, импульсом накачки, при котором наблюдается явление спонтанного параметрического рассеяния света с испусканием холостого фотона на длине волны оптоволоконного канала связи и сигнального фотона на длине волны моды резонатора; запись сигнального фотона в квантовую память посредством воздействия импульсом контрольного поля на атомный ансамбль в резонаторе; воспроизведение сигнального поля в резонаторе посредством воздействия считывающего контрольного поля на атомный ансамбль в резонаторе. Зеркала резонатора имеют высокий коэффициент отражения только на длине волны сигнального поля, а для холостого поля и поля накачки являются прозрачными, одно из зеркал резонатора является глухим, а второе – выходным. Изобретение обеспечивает увеличение эффективности записи. 1 ил.

Способ приготовления перепутанных состояний однофотонного поля и квантовой памяти для квантовых повторителей с использованием явления спонтанного параметрического рассеяния света в резонаторе, содержащем ансамбль многоуровневых атомов, включающий воздействие на нелинейную среду в резонаторе, в котором одновременно размещены источник нелинейной среды, в качестве которого используют нелинейный кристалл, где длина перетяжки соответствует размерам кристалла, и квантовая память, при этом зеркала резонатора имеют высокий коэффициент отражения только на длине волны сигнального поля, а для холостого поля и поля накачки являются прозрачными, причем одно из зеркал резонатора является глухим, а второе – выходным, импульсом накачки, при котором наблюдается явление спонтанного параметрического рассеяния света с испусканием холостого фотона на длине волны оптоволоконного канала связи и сигнального фотона на длине волны моды резонатора, запись сигнального фотона в квантовую память посредством воздействия импульсом контрольного поля на атомный ансамбль в резонаторе, воспроизведение сигнального поля в резонаторе посредством воздействия считывающего контрольного поля на атомный ансамбль в резонаторе.