RU124026U1 - POLARITON CRYSTAL DEVICE FOR RECORDING AND STORING QUANTUM INFORMATION - Google Patents

POLARITON CRYSTAL DEVICE FOR RECORDING AND STORING QUANTUM INFORMATION Download PDF

Info

Publication number
RU124026U1
RU124026U1 RU2012121794/28U RU2012121794U RU124026U1 RU 124026 U1 RU124026 U1 RU 124026U1 RU 2012121794/28 U RU2012121794/28 U RU 2012121794/28U RU 2012121794 U RU2012121794 U RU 2012121794U RU 124026 U1 RU124026 U1 RU 124026U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polariton
recording
atoms
crystal device
optical
Prior art date
Application number
RU2012121794/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Павлович Алоджанц
Сергей Мартиросович Аракелян
Игорь Олегович Баринов
Евгений Сергеевич Седов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ)
Priority to RU2012121794/28U priority Critical patent/RU124026U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU124026U1 publication Critical patent/RU124026U1/en

Links

Images

Landscapes

  • Optical Recording Or Reproduction (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

Устройство поляритонного кристалла для записи и хранения квантовой информации, представляющее собой полупроводниковую решетку с периодическими дефектами, являющимися оптическими микрорезонаторами, отличающееся тем, что в каждый дефект помещен кластер атомов с возможностью связи между соседними микрорезонаторами за счет туннелирования атомов и фотонов.A polariton crystal device for recording and storing quantum information, which is a semiconductor lattice with periodic defects that are optical microresonators, characterized in that a cluster of atoms is placed in each defect with the possibility of coupling between neighboring microresonators due to tunneling of atoms and photons.

Description

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для использования в областях обработки и хранения данных оптическими способами - квантовой информации, телекоммуникации.The utility model relates to devices intended for use in the fields of processing and storage of data by optical methods - quantum information, telecommunications.

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.An analogue of the utility model is a device based on a diamond structure with color centers - nitrogen-substituted vacancies or NV centers (scientific publication: Wrachtrup J., Kilin S.Ya., and Nizovtsev AP Quantum computation using the 13C nuclear spins near the single NV defect center in diamond // Optics and Spectroscopy. - 2001. - Vol. 91. - P. 429-437). Significant disadvantages of diamond NV centers are the sensitivity of their characteristics to a specific atomic environment, the very weak intensity of optical transitions without phonons, and the difficulty of obtaining periodic structures based on them.

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.Another analogue of the utility model is the atomic lattice in coupled resonators described in Greentree A.D., Tahan C, Cole J.H., and Hollenberg L.C.L. Quantum phase transitions of light // Nature Physics. - 2006. -Vol. 2. - P. 856-861. Its disadvantage compared to the utility model is, firstly, the presence of only a photon coupling between the resonators, and secondly, the linearity of the response of the system.

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.A device is also known based on semiconductor quantum wells (quantum dots) placed in Bragg microcavities. The device is a spatially periodic semiconductor (CdTe / CdMgTe or GaAs) structure with defects that are optical microresonators. A semiconductor quantum well (quantum dot) is placed in each defect. Bosonic particles called exciton polaritons are formed in the device (scientific publications: Kasprzak J., Richard M., 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. - No. 5827. - P. 1007. -1010). We accept this device as a prototype. The prototype has the following disadvantages: an extremely short coherence time of exciton polaritons, an extremely low temperature (up to five Kelvin) at which the device functions, and a weak nonlinear response of the medium.

Целью предлагаемой полезной модели является повышение времени когерентности частиц, используемых для хранения информации, усиление нелинейного отклика среды, а также повышение критической температуры функционирования устройства.The purpose of the proposed utility model is to increase the coherence time of particles used to store information, enhance the nonlinear response of the medium, and also increase the critical temperature of the device.

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 фотоновThis goal is achieved using a polariton crystal device for recording and storing quantum information, including a semiconductor grating with periodic defects that are optical microresonators, while each defect contains a cluster of atoms with the possibility of coupling between neighboring microresonators due to tunneling of atoms and photons

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.A useful model of a polariton crystal makes it possible to effectively control the group velocity of a light pulse and form the so-called slow light. It is for the tasks of copying (writing) and storing quantum information that this problem is fundamental. Physically, the recording time of quantum optical information is determined by the delay time of the light pulse in the medium. The very change in the group velocity of the light pulse propagating in such systems is directly related to the formation of polaritons formed by a linear superposition of photons of the external (probe) light field and macroscopic (coherent) disturbances of the medium. To realize these capabilities, it is supposed to use nonlinear media, preferably with large phase incursions per photon.

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 λ3, 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.The first essential sign necessary to achieve a technical result is the use of a semiconductor micro- or nanostructure with locally impaired spatial periodicity as the basis for a defective photonic crystal. Chains of coupled microcavities created on the basis of photonic crystals using nanotechnology and nanophotonics — called optical coupled resonator waveguides (CROW's) —are an effective tool for monitoring the propagation characteristics of light radiation, a condition necessary for processing optical information. The most promising is the use of a new generation of microresonators with a high level of quality factor, with a volume of the order of λ 3 , where λ is the wavelength of light, for which the strong coupling condition is satisfied up to a single atom. In this case, it is possible to obtain a cubic-nonlinear response of the medium for a relatively small, in the limit of a single number of photons.

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.The second essential feature is the use of atomic clusters as a multilevel energy structure. This allows one to fundamentally achieve the repulsive interaction of polaritons as information carriers, increase the nonlinear response of the system, and significantly increase the coherence time of the medium and field. In this case, the formation of polaritons becomes possible at high temperatures, up to room temperatures. In addition, the use of polaritons, which are in a state of condensation as coherent wave packets propagating in the medium, allows achieving unprecedented high reliability of information processing.

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.The third essential feature is the possibility of coupling neighboring cells of the periodic microresonator structure of the utility model by tunneling both atoms and field photons in the plane of the polariton crystal.

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.Figure 1 presents a schematic representation of a utility model of a polariton crystal. A photon crystal 1 with defects 2 is used as the basis. An atomic cluster 3 is placed in each of the defects. An optical lattice 4 is used to capture atoms. It is a standing wave, whose minima coincide with the position of the defects.

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).Figure 2 shows the dependence of the parameter D = Δ / | 2g |, characterizing the type of polaritons in a polariton crystal, on the normalized time T, which describes a three-step algorithm for recording and storing quantum optical information using the structure of a polariton crystal. The numbers indicate the stages of recording information (1), its storage (2), and reading (recovery) of optical information (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).The utility model is based on a photonic crystal 1 in FIG. 1 with periodic defects 2 in FIG. 1, acting as optical microresonators with high quality factor. In order to form photonic crystal nodes on a semiconductor basis, as well as to create periodic defects, the widely known method of mask etching is used (Vučkovic J., M. Lončar, N. Mabuchi, et al. Design of photonic crystal microcavities for cavity QED // Physical Review E. - 2001.-Vol. 65. - No. 1. - P. 016608-1 - 016608-11; Lončar M., Yoshie T., 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.The characteristic spatial dimensions of microresonators are not more than a few micrometers. In each structural defect, a small but macroscopic (from 50) number of atoms 3 is placed in FIG. 1. The capture and movement of atoms is possible by atomic force microscopy - see distance O, 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.To hold atoms in the defect region by interfering laser beams, an optical lattice 4 is created in Fig. 1, the minima of which coincide with the position of the defects.

Число атомов в каждом резонаторе и форма полезной модели не регламентированы и могут диктоваться требованиями потенциального пользователя.The number of atoms in each resonator and the shape of the utility model are not regulated and can be dictated by the requirements of the potential user.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Хранение квантовой оптической информации с помощью структуры ПК предполагает трехшаговый физический алгоритм реализации - см. фиг.2.Storage of quantum optical information using a PC structure involves a three-step physical implementation algorithm - see figure 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.At the first stage, to record quantum information, we select a large and negative detuning Δ << - 2g, where g is the parameter, describes the atomic-optical coupling, Δ characterizes the difference in the frequencies of the optical field and atomic transitions. In this case, the polaritons of the lower dispersion branch are photon-like, and propagate due to the tunneling of photons in the lattice of a polariton crystal. The wave packet propagates at a speed close to the speed of light in vacuum.

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.At the second stage, in order to display optical information on coherent atomic perturbations of the medium, we switch the detuning, making it positive. In this limit, the polaritons of the lower branch become atom-like and their speed corresponds to the speed of movement of atoms in the lattice. The speed of polaritons can be reduced by several orders of magnitude relative to the speed of light, and it can reach values from several meters to several kilometers per second. The information contained in the light beam, while completely recorded on atomic disturbances. For example, in the case of the interaction of a light field with rubidium atoms in the absence of decoherence effects, the characteristic packet spreading time is 13.7 s with an input beam width of 0.04 cm.

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.At the third stage, to restore the optical information at the output from the medium after a certain time interval that determines the storage time of the information, we again make the polaritons photon-like, switching the detuning Δ in the reverse order.

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.Thus, the polariton crystal model corresponds to a new quantum structure in which greater non-linearity is achieved, the coherence time is increased, and the critical temperature of the formation of polaritons that are carriers of information increases.

Claims (1)

Устройство поляритонного кристалла для записи и хранения квантовой информации, представляющее собой полупроводниковую решетку с периодическими дефектами, являющимися оптическими микрорезонаторами, отличающееся тем, что в каждый дефект помещен кластер атомов с возможностью связи между соседними микрорезонаторами за счет туннелирования атомов и фотонов.
Figure 00000001
A polariton crystal device for recording and storing quantum information, which is a semiconductor lattice with periodic defects that are optical microresonators, characterized in that a cluster of atoms is placed in each defect with the possibility of coupling between adjacent microresonators due to tunneling of atoms and photons.
Figure 00000001
RU2012121794/28U 2012-05-25 2012-05-25 POLARITON CRYSTAL DEVICE FOR RECORDING AND STORING QUANTUM INFORMATION RU124026U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012121794/28U RU124026U1 (en) 2012-05-25 2012-05-25 POLARITON CRYSTAL DEVICE FOR RECORDING AND STORING QUANTUM INFORMATION

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012121794/28U RU124026U1 (en) 2012-05-25 2012-05-25 POLARITON CRYSTAL DEVICE FOR RECORDING AND STORING QUANTUM INFORMATION

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU124026U1 true RU124026U1 (en) 2013-01-10

Family

ID=48807583

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012121794/28U RU124026U1 (en) 2012-05-25 2012-05-25 POLARITON CRYSTAL DEVICE FOR RECORDING AND STORING QUANTUM INFORMATION

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU124026U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716028C1 (en) * 2018-12-26 2020-03-05 Кавокин Алексий Витальевич Method for qubit formation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716028C1 (en) * 2018-12-26 2020-03-05 Кавокин Алексий Витальевич Method for qubit formation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hsu et al. Bound states in the continuum
Miroshnichenko et al. Fano resonances in nanoscale structures
Mookherjea et al. Coupled resonator optical waveguides
Gaponenko Introduction to nanophotonics
Huang et al. Trends in quantum nanophotonics
Sivarajah et al. THz-frequency magnon-phonon-polaritons in the collective strong-coupling regime
Johnson et al. Molding the flow of light
Xavier et al. Quantum nanophotonic and nanoplasmonic sensing: towards quantum optical bioscience laboratories on chip
Abbamonte et al. Imaging density disturbances in water with a 41.3-attosecond time resolution
Chen et al. Solitons in cavity-QED arrays containing interacting qubits
González-Tudela et al. Light–matter interactions in quantum nanophotonic devices
Ruseckas et al. Optical vortices of slow light using a tripod scheme
JP5404801B2 (en) Quantum computer and quantum memory
JP2010054938A (en) Quantum simulator, quantum computer and method
Machluf et al. Collective suppression of optical hyperfine pumping in dense clouds of atoms in microtraps
RU124026U1 (en) POLARITON CRYSTAL DEVICE FOR RECORDING AND STORING QUANTUM INFORMATION
Petrosyan Tunable photonic band gaps with coherently driven atoms in optical lattices
Chia et al. Diamond quantum nanophotonics and optomechanics
Mahat et al. Plasmonically induced transparency in graphene oxide quantum dots with dressed phonon states
Magnusson et al. Fundamentals and applications of resonant leaky-mode photonic lattices
Goban Strong atom-light interactions along nanostructures: Transition from free-space to nanophotonic interfaces
Tsukanov et al. Quantum register based on structured diamond waveguide with NV centers
Yanagimoto et al. Temporal trapping of ultrashort pulses enables deterministic optical quantum computation
Tsukanov et al. Quantum diamond chip under network optical control
Kowalski et al. Electromagnetically induced transparency

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20140526