ИСТИНА

Разработаны нелинейно-оптические методы генерации многомодовых запутанных квантовых состояний световых полей в апериодически нелинейных фотонных кристаллах (НФК), нелинейных волноводных структурах и бинарной нелинейной структуре, последняя предложена нами. Анализ параметрических связанных оптических взаимодействий в бинарной структуре, представляющей собой стопу из двух НФК, выполнен впервые. Развита квантовая теория формирования четырёх- и шестимодовых кластерных состояний в нелинейных волноводных структурах, используя гейзенберговское и шрёдингеровское представления. Запутанность многомодовых состояний изучалась используя различные критерии: обобщённый Дуана, частичное масштабирование ковариационной матрицы и симплектический спектр последней. Предложена новая схема генерации модифицированных ГХЦ состояний и проанализированы их квантовые свойства. Источником ярких неклассических состояний в оптике может быть подпороговый режим возбуждения параметрического генератора света (ПГС). В связи с этим развиты некоторые аналитические подходы для нахождения соотношения параметров ПГС, позволяющих ограничиться анализом временной динамики процесса возбуждения генератора, являющегося пространственно распределенной системой. Развита квантовая теория внутрирезонаторной четырёхмодовой генерации световых полей при квазисинхронных параметрических взаимодействиях; генерация включает связанные процессы преобразования частоты накачки вниз и смешения частот. Изучена запутанность квадратур генерируемых разночастотных полей. Четырёхмодовые запутанные состояния света явились основой предложенных новых схем формирования квантовых фантомных изображений (ФИ), которые обладают определенными преимуществами перед традиционными двухмодовыми схемами. Установлено, что при освещении объекта излучением только одной модой из 4-х запутанных мод можно одновременно получить три ФИ. При этом ФИ , как показал, расчет коррелированны между собой. Компьютерная реализация восстановления изображения по фантомным изображениям методом редукции измерения показала улучшение отношения сигнал/шум в несколько раз.Использование четырехмодового поляризационно-запутанного состояния Белла позволяет, кроме того, избавиться от фона, который присутствует в традиционных схемах и связан с средней интенсивностью излучений в зондирующем и восстанавливающем каналах. Проведены подготовительные работы по реализации ФИ с белловскими состояниями. Созданы несколько образцов двухкристальной схемы на кристаллах BBO и BiBO. Исследовано влияние девиации поляризации генерируемых состояний на степень запутанности. С целью углубления понимания природы квантовых полей рассмотрены варианты двухлучевой интерференции одиночного фотона и возможности формирования им «стоячей» и «бегущей волны» с интерференционными минимумами, а также трехлучевая интерференция.

- Структура двумерного нелинейного фотонного кристалла, например ниобата лития, для получения многомодовых запутанных квантовых состояний света. - Значение величины запутанности и параметра чистоты состояний, получаемых при параметрическом преобразовании частоты в поле накачки с разной статистикой. - Выражения для ширин спектра генерируемых мод с частотами ниже и выше частоты накачки для параметрического генератора с низкочастотной накачкой. -Коэффициенты корреляции между модами в шестимодовых запутанных квантовых состояний в зависимости от статистики одной из мод на входе оптически нелинейного волновода. - Выражения для дисперсии мультиплицированных фантомных изображений, формируемых при использовании четырехмодовых запутанных квантовых состояний, и отношения сигнал/шум.

В результате проведенных исследований созданы предпосылки для проведения экспериментов по получению фантомных изображений с поляризационно-запутанными квантовыми состоями.

Развита квантовая теория генерации четырѐхмодовых и шестимодовых кластерных квантовых состояний, формируемых соответственно в связанных двух и трѐх волноводных каналах. Связь между модами разных частот осуществляется через процесс параметрического взаимодействия внутри канала, а связь мод с одинаковыми частотами через эванесцентные моды между каналами. Для случая мод в начальном вакуумном состоянии получены выражения для векторов состояния этих кластеров. Установлено, что инкремент параметрического усиления зависит от эффективности вытекающих мод, играя роль “затухания”. Прослежена динамика среднего числа фотонов и корреляций фотонов в модах на выходе волноводных структур. Обнаружено, что корреляции фотонов, имеют место не только между параметрически рождаемыми фотонами, но и между фотонами мод, не связанными вытекающими модами. Знание вектора состояния рассматриваемых многомодовых состояний позволило провести анализ энтропийных характеристик запутанных квантовых состояний. В частности, рассмотрены условная энтропия и взаимная информация. Установлено, что условная энтропия может принимать отрицательные значение, что является достаточным условием для квантового запутывания. Анализ неклассичности четырехмодовых состояний выполнен также на основе расчета симплектического спектра ковариационной матрицы квадратурных компонент. Получено выражение для вектора шестимодовых состояний при начальном вакуумном состоянии мод. Запутанность непрерывных переменных такого состояния изучена на основе критерия Дуана. Развита теория внутрирезонаторной четырѐхмодовой генерации неклассических световых полей в квазисинхронном режиме взаимодействия. Генерируемое поле включает световые поля с частотами ниже частоты накачки, формируемых при традиционном параметрическом процессе преобразования частоты вниз, и световые поля с частотами выше частоты накачки, образуемые при сложении генерируемых частот с частотой накачки. Изучена зависимость порога параметрической генерации от коэффициента сложения частот. Запутанность квадратурных компонент мод ниже порога параметрической генерации изучена с помощью критерия Дуана. В надпороговом режиме генерации рассмотрена ширина спектра мод. Предложена новая, бинарная нелинейно-оптическая структура, представляющая собой стопу из двух нелинейно-оптических кристаллов. Пространственные и спектральные характеристики СПР в такой структуре зависят от периода пространственной модуляции нелинейности кристаллов и расстояния между ними. С целью адекватного описания внутрирезонаторной параметрической генерации, традиционно основывающегося на временных динамических уравнениях, разработаны последовательные переходы от описания параметрических волновых взаимодействий в распределенной оптически нелинейной системе - каковыми являются параметрические генераторы света, - уравнениями в частных производных, к нелинейной системе с сосредоточенными параметрами, используемыми для квантового описания процессов в рамках операторных уравнений Гейзенберга. В уравнениях эволюции для комплексных амплитуд при классическом описании (в уравнениях для бозе-операторов при квантовом описании) при переходе к системе с сосредоточенными постоянными появляются дополнительные слагаемые, связанные с “каскадным” характером за счет обратной связи. Анализ временной динамики в квазистатическом режиме рассмотрен в квадратичном и кубичном приближениях изменения амплитуд взаимодействующих волн от длины кристалла, располагаемого в резонаторе. Для случая линейной зависимости амплитуд волн от длины кристалла проанализированы двух- и трехрезонаторные схемы параметрических генераторов. Полученные аналитические результаты сравнены с результатами компьютерного моделирования параметрических процессов. Таким образом показано, что описание динамики параметрических волновых взаимодействий в оптическом диапазоне в общем случае отличается от динамики параметрических взаимодействий в системах с сосредоточенными параметрами. Вместе с тем в случае высокодобротных оптических резонаторов справедливым оказывается и описание оптических параметрических процессов в резонаторе на основе модели с сосредоточенными параметрами. Принципиально важные результаты получены при использовании многомодовых запутанных состояний в квантовых изображениях, а именно в квантовых фантомных изображениях. На основе многомодовых запутанных состояний света нами предложены новые схемы формирования квантовых фантомных изображений (ФИ), которые обладают определенными преимуществами перед традиционными схемами: мультиплицирование ФИ и подавление фона в корреляционных функциях интенсивности излучений зондирующего и восстанавливающего каналов в случае применения поляризационно-запутанных состояний Белла . Показано, что мультиплексированные ФИ обладают взаимной пространственной корреляцией, определяемой полевой корреляционной функцией восьмого порядка. Это их свойство использовано при компьютерной реализации восстановления изображения по ФИ методом редукции измерения. Установлено, что в восстановленном изображении можно улучшить в несколько раз отношение сигнал/шум. Изучено формирование белловских состояний в двух последовательно расположенных нелинейных кристаллах. Исследовано влияния девиации поляризации в схеме на степень запутанности генерируемых состояний. Создано несколько образцов двухкристальной схемы на кристаллах BBO и BiBO. Определенное внимание при выполнении проекта было уделено фундаментальной природе квантовых полей. Предложены и рассмотрены мысленные и реальные эксперименты с одиночными фотонами, ставящими под сомнение полевую природу бозонов и свидетельствующие скорее в пользу принятия концепции дальнодействия. Для этого исследованы варианты двухлучевой интерференции одиночного фотона и возможности формирования им «стоячей» и «бегущей волны» с интерференционными минимумами – «мертвыми» зонами на пути его распространения, которые наглядно демонстрируют качественные отличия поведения одиночного фотона в зависимости от того, распределен ли он по одной или двум пространственным модам.