От мезоскопических состояний к квантовым вычислениям

Алоджанц Александр Павлович

Мои научные интересы связаны главным образом с квантовой и атомной оптикой, которой я занимаюсь с 1988 года. В то время я был студентом Ереванского государственного университета, изучал астрофизику и гравитацию. Здесь у меня были неплохие перспективы, поскольку это направление исследований традиционно входило в число приоритетных на факультете физики. Но в естественный ход событий вмешался случай.

В один из весенних дней я присутствовал на семинаре кафедры оптики, на котором молодой профессор С. М. Аракелян увлекательно рассказывал о новых экспериментах в области нелинейной оптики, затрагивающих фундаментальные основы квантовой теории. Речь шла о генерации так называемого сжатого света с подавленным уровнем флуктуаций одной из квадратур ниже дробового уровня шумов. В квантовой оптике эти квадратуры - аналоги импульса и координаты в квантовой механике и не могут быть одновременно и точно измерены. Все это показалось мне сложным, но необычайно интересным. Так мой выбор склонился в пользу квантовой оптики. Я стал студентом, а затем и аспирантом С. М. Аракеляна, под влиянием которого сформировались не только мои научные интересы, но и жизненная позиция.

Мне поручили разрабатывать тему "Формирование квантовых состояний света в нелинейных пространственно-периодических и неоднородных средах", к которым можно отнести жидкие кристаллы, пространственно-периодические и туннельно-связанные оптические волокна и волноводы. Эти системы интересны тем, что в них происходит макроскопическое туннелирование фотонов, а также проявляется эффект самовоздействия, обусловленный кубической нелинейностью среды. Мы надеялись поставить первый, по сути, в мире эксперимент по генерации сжатых макроскопических состояний светового поля в рассматриваемых системах. Но нашим планам не суждено было сбыться. В результате известных событий конца 80-х и начала 90-х годов Армения оказалась в сложнейшем экономическом положении. Не было света, тепла, и над кандидатской диссертацией приходилось работать при свечке.

В начале 1993 года я оказался в Международном лазерном центре при кафедре общей физики Физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, куда меня пригласил профессор Н. И. Коротеев. Здесь мне удалось завершить кандидатскую диссертацию, которую я успешно защитил осенью.

Я попал в сильную группу ведущего научного сотрудника кафедры А. С. Чиркина, известного своими пионерскими работами в лазерной физике, нелинейной и статистической оптике. В то время Анатолий Степанович со своими коллегами решал новую в квантовой оптике задачу о возможности формирования так называемых поляризационно-сжатых состояний света, для которых подавляются дисперсии одного из параметров Стокса ниже своего значения для когерентных состояний. Эти параметры светового поля, как и компоненты спина квантовой системы, удовлетворяют алгебре SU(2), что и определяет их квантовые свойства. Тогда нам удалось показать, что генерация света с такими неклассическими поляризационными характеристиками возможна в результате взаимодействия ортогонально поляризованных мод в пространственно-периодических средах, которыми я занимался прежде.

Новые квантовые состояния света требовали иных методов регистрации. Для этого мы с коллегами создали теорию квантовых невозмущающих измерений параметров Стокса, которую опубликовали в цикле статей. Так был намечен принципиально новый путь измерения квантовой фазы (разности фаз) светового поля. В частности, для полного определения фазовых свойств поляризационной системы с симметрией алгебры SU(2) мы предложили четырехканальный (многопортовый) поляриметр и оценили предельные возможности одновременного гомодинного измерения всех четырех параметров Стокса, а также фазовых углов и их флуктуаций.

Интересно, что все эти вопросы об измерении квантовых поляризационных характеристик светового поля неоднократно становились предметом горячих дискуссий с нашими зарубежными коллегами. Однако лишь недавно, в 2001-2002 годах, научная группа Австралийского национального университета и независимо от них группа в университете г. Эрланген (Германия) экспериментально получили и зарегистрировали световое поле в поляризационно-сжатом состоянии. Наконец, уже в этом году такие состояния света были задействованы для квантовой телепортации поляризации светового поля, что чрезвычайно актуально для передачи и обработки квантовой информации.

С 1995 года я работаю доцентом во Владимирском государственном университете в группе профессора С. М. Аракеляна. Все эти годы мы занимались разработкой физических принципов новых оптических приборов с предельными параметрами. Мы проанализировали специальные интерферометрические схемы, использующие неклассические поляризационные состояния света, и показали, что на их основе возможно, например, прецизионно измерять фазовые сдвиги в оптике, создавать поляризационно чувствительные антенны для регистрации гравитационных волн. Нам удалось разработать основные принципы высокочувствительной квантовой эллипсометрии, когда квантовые флуктуации наблюдаемых величин подавляются ниже уровня стандартного квантового предела. Подобный подход может быть использован для исследования качества "поверхности" конденсированной среды на характерных атомных масштабах, недоступных классическим измерениям.

В настоящее время я работаю над проблемой формирования мезоскопических квантовых состояний в квантовой и атомной оптике. Интерес к этой теме появился у меня в 1999-2000 гг. во время научной стажировки в Институте теоретической физики (Инсбрук, Австрия) в группе профессора П. Цоллера. При определенных условиях в двухуровневых оптических системах (например, туннельно-связанных волокон/волноводов) может формироваться новый для оптики тип квантовых перепутанных (entangled) и суперпозиционных состояний, связанных с мезоскопическими свойствами оптической системы. Физика таких состояний связана с эффектами резкого переключения выходных параметров оптического излучения (числа фотонов, поляризации и т. д.) при небольшом изменении входной интенсивности светового поля.

Состояния подобного рода в физике твердого тела известны, по сути, давно и в последнее время интенсивно обсуждаются в связи с квантовой обработкой информации. Физически здесь речь идет о "замороженных" системах с большим (в пределе - бесконечным) числом частиц, максимально изолированных от окружающей среды. При этом переходы всего лишь на одну частицу существенно изменяют поведение параметров всей системы в целом.

Такое свойство мезоскопической системы может быть связано с фазовым переходом и свойствами сверхтекучего состояния. В атомной оптике нечто подобное мы наблюдаем при бозе-эйнштейновской конденсации атомов. В квантовой оптике подобных мезоскопических состояний не наблюдалось. Действительно, принципиальным свойством оптической системы является, с одной стороны, ее мезоскопичность (1010-1013 фотонов), а с другой - учет квантовых переходов относительно небольшого (103-105) числа фотонов; в "идеальном" случае переключение осуществляют единичные фотоны. К сожалению, сегодня не получается выполнить подобные измерения на доступных лазерах - слишком нестабильны параметры их излучения. А надо бы, если нам нужны именно квантовые вычисления!

С практической точки зрения для целей обработки квантовой информации реализация таких систем с большим числом частиц может быть осуществлена в атомной оптике. Особый интерес здесь, на мой взгляд, представляет формирование перепутанных состояний атомов в результате их взаимодействия с внешними электромагнитными полями. В этом случае в атомной среде становится возможным формирование поляритонов, представляющих связанные состояния спиновых волн и фотонов внешнего поля. Для исследования квантовых свойств таких образований мы развиваем два подхода. Первый связан с анализом состояний поляритонов в рамках деформации алгебры SU(2). Второй подход основан на развитии квантовой теории поляризации для систем с симметрией SU(3).

На мой взгляд, это направление исследований может стать наиболее интересным и практически значимым в квантовой и атомной оптике в ближайшее время. Здесь мы уже сделали достаточно много: предложили концепцию SU(3)-поляризации в гильбертовом пространстве для квантовых бозе-систем с симметрией Гелл-Манна, определили параметры степени поляризации, рассмотрели оригинальный SU(3)-интерферометр, позволяющий проводить измерения различных фазовозависящих параметров Гелл-Манна для оптического поля. Однако физические аспекты формирования таких состояний требуют специального анализа. Все эти вопросы сегодня уже стали предметом теоретических и экспериментальных исследований во многих лабораториях мира, и их решение позволит наметить новые пути в решении как фундаментальных, так и практических проблем современной квантовой физики.

В заключение я хотел бы поблагодарить фонд "Династия" и его основателя, господина Д. Б. Зимина, за поддержку моей научной деятельности в наше непростое, но интересное время.