RU2483357C2 - Method of processing quantum information - Google Patents
Method of processing quantum information Download PDFInfo
- Publication number
- RU2483357C2 RU2483357C2 RU2010135712/28A RU2010135712A RU2483357C2 RU 2483357 C2 RU2483357 C2 RU 2483357C2 RU 2010135712/28 A RU2010135712/28 A RU 2010135712/28A RU 2010135712 A RU2010135712 A RU 2010135712A RU 2483357 C2 RU2483357 C2 RU 2483357C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- medium
- optical
- atoms
- scheme
- atomic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптических квантовых вычислений, а именно к способам обработки квантовой информации, и может быть использовано для обработки квантовой информации.The invention relates to the field of optical quantum computing, and in particular to methods for processing quantum information, and can be used to process quantum information.
Известен способ реализации квантовых логических операций с использованием поляризационных состояний одиночных фотонов [заявка 2005128554/09, 17.02.2004 на выдачу патента на изобретение «Способ и программируемое устройство для квантовых вычислений», http://wwwl.fips.ru/fips_servl/fips_servlet]. Способ основан на использовании двух поляризационных светоделителей, на первом из которых происходит смешивание первого однофотонного импульса с холостой модой с последующей подачей одной из полученных поляризационных мод на второй светоделитель. Такая логическая операция может быть использована для осуществления квантовых вычислений. Известен также способ квантовых вычислений [«Techniques for performing logic operations using quantum states of single photons», патент США 6741374, The Johns Hopkins University http://www.freepatentsonline.com/6741374.html], при котором имеется программа для нахождения функций, описывающих процедуры вычисления значения. Выполняют континуализацию закодированной программы и выражают ее в виде дифференциального оператора. Далее реализуют дифференциальный оператор в физической среде и из нее извлекают решение для континуализированной закодированной программы.A known method of implementing quantum logical operations using the polarizing states of single photons [application 2005128554/09, 02.17.2004 for the grant of a patent for the invention "Method and programmable device for quantum computing", http://wwwl.fips.ru/fips_servl/fips_servlet] . The method is based on the use of two polarization beam splitters, the first of which mixes the first single-photon pulse with the idle mode, followed by feeding one of the obtained polarization modes to the second beam splitter. Such a logical operation can be used to perform quantum computing. There is also a method of quantum computing ["Techniques for performing logic operations using quantum states of single photons", US patent 6741374, The Johns Hopkins University http://www.freepatentsonline.com/6741374.html], in which there is a program for finding functions describing the procedures for calculating the value. Continuate the encoded program and express it as a differential operator. Next, a differential operator is implemented in a physical environment and a solution for a continualized encoded program is extracted from it.
Недостатки данных способов состоят в том, что они относятся, в основном, к проектированию отдельных логических элементов и не объединяют отдельные блоки обработки квантовой информации для реализации распределенной обработки информации и создания квантового процессора.The disadvantages of these methods are that they relate mainly to the design of individual logic elements and do not combine the individual processing units of quantum information to implement distributed information processing and create a quantum processor.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ квантовых вычислений с использованием нелинейных эффектов. Взаимодействие пары фотонов с многочисленными парами атомов среды дает сильный нелинейный сдвиг фазы [«Optical method for quantum computing», патент США 6678450, The Johns Hopkins University, http:/www.freepatentsonline.com/6678450.html]. Этим сдвигом можно управлять, изменяя параметры взаимодействия, используя многочисленные лазерные импульсы и буферный газ. При определенном фазовом сдвиге осуществляются условия, при которых происходит изменение поляризации фотонов, соответствующее квантовой операции XOR.Closest to the proposed method is a method of quantum computing using non-linear effects. The interaction of a pair of photons with multiple pairs of atoms of the medium gives a strong nonlinear phase shift ["Optical method for quantum computing", US patent 6678450, The Johns Hopkins University, http://www.freepatentsonline.com/6678450.html]. This shift can be controlled by changing the interaction parameters using numerous laser pulses and a buffer gas. At a certain phase shift, conditions are fulfilled under which a change in the polarization of photons occurs, corresponding to the quantum XOR operation.
Недостаток данного способа заключается в использовании газовых сред для достижения фазовых сдвигов, что не позволяет использовать указанные среды для серийного производства.The disadvantage of this method is the use of gas media to achieve phase shifts, which does not allow the use of these media for mass production.
Задача, решаемая изобретением - обеспечение возможности эффективной обработки квантовой информации за счет применения оптических материалов, допированных атомами редкоземельных элементов, которые эффективно могут быть использованы при серийном производстве элементной базы квантовых вычислений.The problem solved by the invention is the ability to efficiently process quantum information through the use of optical materials doped with atoms of rare-earth elements, which can be effectively used in serial production of the element base of quantum computing.
Предлагаемая задача решается тем, что в способе обработки квантовой информации, включающем взаимодействие атомной среды с оптическими однофотонными пробными импульсами света, которые получают относительный нелинейный сдвиг фазы ϕi, величиной сдвига управляют путем изменения настроек двух дополнительных полей оптической накачки при использовании М-схемы атомно-оптического взаимодействия в допированной атомами редкоземельных элементов оптической среде и определяют по формулеThe proposed problem is solved by the fact that in the method of processing quantum information, including the interaction of the atomic medium with optical single-photon probe pulses of light, which obtain a relative nonlinear phase shift ϕ i , the magnitude of the shift is controlled by changing the settings of two additional optical pump fields when using the M-scheme of atomic optical interaction in an optical medium doped with atoms of rare-earth elements and is determined by the formula
где i соответствует различным комбинациям правой и левой циркулярных поляризаций пробных фотонов а и b на входе среды и принимает значения i=1 для , i=2 для , i=3 для , i=4 для ; показатели преломления среды имеют вид , , , , , , ; L - длина среды, n0=1.45 - коэффициент преломления оптического кристалла, по которому распространяются фотоны,where i corresponds to various combinations of the right and left circular polarizations of the test photons a and b at the input of the medium and takes values i = 1 for , i = 2 for , i = 3 for , i = 4 for ; the refractive indices of the medium are , , , , , , ; L is the length of the medium, n 0 = 1.45 is the refractive index of the optical crystal along which the photons propagate,
- эффективная добавка к показателю преломления среды за счет наличия резонансных атомов, - то же самое, но в случае, когда поляризация одного из пробных импульсов не соответствует правилу отбора на соответствующем атомном переходе и М-схема редуцирует к Λ-схеме, χp1(p2) - восприимчивости ансамбля допированных атомов, gp1(p2) - частоты Раби пробных импульсов, N - концентрация атомов. - an effective addition to the refractive index of the medium due to the presence of resonant atoms, is the same, but in the case when the polarization of one of the probe pulses does not correspond to the selection rule at the corresponding atomic transition and the M-scheme reduces to the Λ-scheme, χ p1 (p2) is the susceptibility of the ensemble of doped atoms, g p1 (p2) - Rabi frequencies of test pulses, N is the concentration of atoms.
Технически задача реализуется тем, что в оптическую рабочую среду, допированную атомами редкоземельных элементов, подаются два однофотонных пробных импульса света с произвольными циркулярными поляризациями . В допированной среде реализуется М-схема атомно-оптического взаимодействия (см. Фиг.1) с участием двух дополнительных полей оптической накачки определенных поляризаций и и с малыми частотами отстройки δ1(2). При прохождении сквозь дотированную среду пробных фотонов, ими приобретается различный относительный набег фазы ϕi, определяемый комбинацией поляризаций пробных фотонов на входе - в формуле (1). В качестве рабочего используется перепутанное состояние пробных фотонов а и b на входе среды в форме:Technically, the problem is realized by the fact that two single-photon test light pulses with arbitrary circular polarizations are fed into the optical working medium doped with atoms of rare-earth elements . In a doped medium, an M-scheme of atomic-optical interaction is implemented (see Figure 1) with the participation of two additional optical pump fields of certain polarizations and and with low detuning frequencies δ 1 (2) . When test photons pass through a subsidized medium, they acquire a different relative phase incursion ϕ i , determined by the combination of polarizations of the test photons at the input — in formula (1). As a worker, the entangled state of test photons a and b at the input of the medium is used in the form:
где - комплексные амплитуды, определяющие вероятности соответствующих базисных состояний, , - начальные фазы.Where - complex amplitudes that determine the probabilities of the corresponding basis states, , - initial phases.
Измерения разности фаз пробных фотонов осуществляются с помощью поляризационных фотодетекторов. При выборе параметров системы, изменения частотных отстроек δ1(2) позволяют менять фазовые набеги ϕi для возможности реализации различных квантовых логических операций, выполняемых над состоянием (2).The phase difference of the probe photons is measured using polarizing photodetectors. When choosing the system parameters, changes in the frequency detunings δ 1 (2) make it possible to change the phase incursions ϕ i for the possibility of implementing various quantum logical operations performed on state (2).
Пример реализации способаAn example implementation of the method
В качестве рабочей среды использовали кристалл, допированный атомами 59Pr, схема рабочих уровней которого представлена на Фиг.1, и со следующими параметрами взаимодействия: длина среды L=1 мм; параметры допированных атомов: γopt=43.5кГц, γmag=4 кГц, γs - 0.25 кГц. Длительности пробных импульсов выбраны равными τp1,p2=258 пс, длительности импульсов накачек τс1,с2=939.1 пс, интенсивности пробных импульсов Ip1,р2=44.84 кВт/м2.As the working medium, a crystal doped with 59 Pr atoms was used, the working level diagram of which is shown in FIG. 1, and with the following interaction parameters: medium length L = 1 mm; parameters of doped atoms: γ opt = 43.5 kHz, γ mag = 4 kHz, γ s - 0.25 kHz. The durations of the test pulses were chosen equal to τ p1, p2 = 258 ps, the durations of the pump pulses τ s1, c2 = 939.1 ps, the intensity of the test pulses I p1, p2 = 44.84 kW / m 2 .
Например, была реализована логическая команда XOR в два этапа. На начальном этапе осуществлено фазовое кодирование перепутанного состояния для достижения необходимых параметров при выборе начальной фазы перепутанного состояния , равной нулю - Фиг.2, и осуществлении фазового сдвига . На втором этапе, при изменении частот отстроек полей накачки δ1(2) и достижении фазовых набегов , реализована квантовая логическая операция XOR в соответствии с таблицей истинности.For example, the logical XOR command was implemented in two stages. At the initial stage, phase encoding of the entangled state was carried out to achieve the necessary parameters when choosing the initial phase of a confused state equal to zero - Figure 2, and the implementation of the phase shift . At the second stage, with a change in the frequencies of the detunings of the pump fields δ 1 (2) and the achievement of phase incursions , implemented a quantum logical operation XOR in accordance with the truth table.
Эффект: по сравнению с прототипами, реализация данного способа обработки информации происходит не в газовой, а в твердой среде, что предпочтительно для серийного производства и долгосрочного использования образцов. Возможность внешнего оптического управления позволяет реализовать сразу несколько квантовых логических операций в одной допированной среде.Effect: in comparison with prototypes, the implementation of this information processing method does not occur in a gas but in a solid medium, which is preferable for serial production and long-term use of samples. The possibility of external optical control allows the implementation of several quantum logical operations in one doped medium.
Claims (1)
,
где i соответствует различным комбинациям правой |σ+> и левой |σ-> циркулярных поляризаций пробных фотонов а и b на входе среды и принимает значения i=1 для , i=2 для , i=3 для i=4 для показатели преломления среды имеют вид , , , , , , ; L - длина среды, n0=1,45 - коэффициент преломления оптического кристалла, - эффективная добавка к показателю преломления кристалла за счет наличия резонансных атомов, - то же самое, но в случае, когда поляризация одного из пробных импульсов не соответствует правилу отбора на соответствующем атомном переходе и М-схема редуцирует к Λ-схеме, χp1(p2) - восприимчивости ансамбля допированных атомов. A method of processing quantum information, including the interaction of an atomic medium with optical single-photon probe light pulses that obtain a relative nonlinear phase shift ϕ i , characterized in that its value is controlled by changing the settings of two additional optical pump fields when using the M-scheme of atomic-optical interaction in optical medium doped with rare-earth atoms and is determined by the formula:
,
where i corresponds to various combinations of the right | σ + > and left | σ - > circular polarizations of the test photons a and b at the input of the medium and takes the values i = 1 for , i = 2 for , i = 3 for i = 4 for the refractive indices of the medium are , , , , , , ; L is the length of the medium, n 0 = 1.45 is the refractive index of the optical crystal, - an effective addition to the refractive index of the crystal due to the presence of resonant atoms, is the same, but in the case when the polarization of one of the probe pulses does not correspond to the selection rule at the corresponding atomic transition and the M-scheme reduces to the Λ-scheme, χ p1 (p2) is the susceptibility of the ensemble of doped atoms.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010135712/28A RU2483357C2 (en) | 2010-08-26 | 2010-08-26 | Method of processing quantum information |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010135712/28A RU2483357C2 (en) | 2010-08-26 | 2010-08-26 | Method of processing quantum information |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010135712A RU2010135712A (en) | 2012-03-20 |
RU2483357C2 true RU2483357C2 (en) | 2013-05-27 |
Family
ID=46029590
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010135712/28A RU2483357C2 (en) | 2010-08-26 | 2010-08-26 | Method of processing quantum information |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2483357C2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6678450B1 (en) * | 1998-04-24 | 2004-01-13 | The Johns Hopkins University | Optical method for quantum computing |
US6741374B2 (en) * | 2001-11-06 | 2004-05-25 | The Johns Hopkins University | Techniques for performing logic operations using quantum states of single photons |
RU2005128554A (en) * | 2003-02-14 | 2006-01-27 | Клиерсайт Системз Инк. (Us) | METHOD AND PROGRAMMABLE DEVICE FOR QUANTUM COMPUTATIONS |
US20090009165A1 (en) * | 2005-12-27 | 2009-01-08 | Kouichi Ichimura | Quantum information processing device and method |
-
2010
- 2010-08-26 RU RU2010135712/28A patent/RU2483357C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6678450B1 (en) * | 1998-04-24 | 2004-01-13 | The Johns Hopkins University | Optical method for quantum computing |
US6741374B2 (en) * | 2001-11-06 | 2004-05-25 | The Johns Hopkins University | Techniques for performing logic operations using quantum states of single photons |
RU2005128554A (en) * | 2003-02-14 | 2006-01-27 | Клиерсайт Системз Инк. (Us) | METHOD AND PROGRAMMABLE DEVICE FOR QUANTUM COMPUTATIONS |
US20090009165A1 (en) * | 2005-12-27 | 2009-01-08 | Kouichi Ichimura | Quantum information processing device and method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2010135712A (en) | 2012-03-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Majumdar et al. | Loss-enabled sub-Poissonian light generation in a bimodal nanocavity | |
He et al. | Coherently driving a single quantum two-level system with dichromatic laser pulses | |
Loredo et al. | Scalable performance in solid-state single-photon sources | |
Kiršanskė et al. | Indistinguishable and efficient single photons from a quantum dot in a planar nanobeam waveguide | |
Jöns et al. | Bright nanoscale source of deterministic entangled photon pairs violating Bell’s inequality | |
Yılmaz et al. | Quantum-dot-spin single-photon interface | |
Zheng et al. | Strongly correlated photons generated by coupling a three-or four-level system to a waveguide | |
Souza et al. | Coherent Control of Quantum Fluctuations Using Cavity<? format?> Electromagnetically Induced Transparency | |
Peiris et al. | Franson interference generated by a two-level system | |
Jizan et al. | Bi-photon spectral correlation measurements from a silicon nanowire in the quantum and classical regimes | |
DiGuglielmo et al. | Experimental Unconditional Preparation and Detection<? format?> of a Continuous Bound Entangled State of Light | |
Qian et al. | Temporal purity and quantum interference of single photons from two independent cold atomic ensembles | |
Dąbrowski et al. | Hamiltonian design in readout from room-temperature Raman atomic memory | |
Müller et al. | Self-homodyne-enabled generation of indistinguishable photons | |
Gazzano et al. | Effects of resonant-laser excitation on the emission properties in a single quantum dot | |
Burridge et al. | High spectro-temporal purity single-photons from silicon micro-racetrack resonators using a dual-pulse configuration | |
Carosini et al. | Programmable multiphoton quantum interference in a single spatial mode | |
Wilbur et al. | Notch-filtered adiabatic rapid passage for optically driven quantum light sources | |
RU2483357C2 (en) | Method of processing quantum information | |
Zhu et al. | Fiber-based frequency-degenerate polarization entangled photon pair sources for information encoding | |
Dong et al. | Two-color hyper-entangled photon pairs generation in a cold 85 Rb atomic ensemble | |
US8774641B2 (en) | Communication method using the entangled state | |
Tian et al. | Observation of the fluorescence spectrum for a driven cascade model system in atomic beam | |
Gilead et al. | Effect of second-order coupling on photon-pair statistics in waveguide structures | |
EP2621032A3 (en) | Method and device for sum-frequency generation of light pulses |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140827 |