Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Отображение "хрупких" распространяющихся в пространстве неклассических состояний света на квантовый регистр памяти, состоящий из нейтральных атомов, обычно связанных оптической дипольной ловушкой или оптической решеткой, является одним из ключевых элементов квантовой информационной сети, использующей атомные системы в качестве элементной базы квантового симулятора, процессора, и т.п.. Разработка систем контроля и управления коллективными квантовыми состояниями атомов, с параметрами высокой эффективности, надежной воспроизводимостью и долговременным хранением сложных многокубитных и многомодовых квантовых состояний является стратегической задачей, которую предстоит решить экспериментально. За отчётный период нами установлен ряд физических требований, оптимизирующих процесс охлаждения одиночного атома, удерживаемого в оптической дипольной ловушке, создаваемой узко сфокусированным лазерным лучом, характеризуемым частотой, отстроенной от атомного резонанса в низкочастотную область. Используемый нами подход позволяет рассмотреть охлаждение атома в трехмерной геометрии удерживающего потенциала и управляющих процессом импульсов света. Нами проведено моделирование рамановского цикла охлаждения для сложной сверхтонкой конфигурации многоуровневого атома щелочного металла. В теоретическом моделировании процесса нами учтена полная картина световых сдвигов, обусловленных как охлаждающими, так и связывающими атомы лучами. Нами установлено, что эффективная реализация протокола рамановского охлаждения по трём колебательным степеням свободы атома возможна при условии выполнения определённых требований, накладываемых на поляризации управляющих процессом световых лучей и на их интенсивности. При этом, в рассматриваемой нами нетривиальной геометрии облучения, каждый из управляющих импульсов используется для индивидуального контроля одной из главных колебательных мод. Нами также проанализирована важная роль перепутывания, возникающего в протоколе рамановского охлаждения, между спиновыми и колебательными состояниями атома. Нами были проведены микроскопические расчёты рассеяния света в квазиодномерной геометрии ансамблем атомов в условиях квантового вырождения. Наибольший интерес представляет случай, когда вырожденное состояние атомной подсистемы характеризуется пространственными осцилляциями параметра порядка, обусловленными интерференцией фрагментирующих материальных волн. Вследствие данных осцилляций, которые можно связать с пространственной модуляцией показателя преломления вещества, возникает уникальная физическая конфигурация, когда разреженный атомный газ демонстрирует свойства фотонного кристалла с возможностью сильного отражения и когерентного рассеяния света в спектральной области, где обычный газ той же плотности был бы полностью прозрачен. Условия для сильного отражения возникают при условии, когда период модуляции параметра порядка равен половине длины волны рассеиваемого излучения, что соответствует условиям дифракции Брэгга-Вульфа. Проведенные экспериментальные работы позволили реализовать динамические голографические пинцеты, обеспечивающие возможность захвата и перемещения одиночных холодных атомов рубидия. Нами предложен и реализован эффективный алгоритм генерации динамических голограмм для пространственного модулятора света, которые позволяют создавать перестраиваемые массивы микроловушек. Проведены экспериментальные исследования процесса захвата и перемещения одиночных атомов и их нагрева. За отчётный период коллективом достигнуты важные организационные результаты, касающиеся развития нашей группы в целом. При финансовой поддержке со стороны Фонда нам удалось сформировать Научную лабораторию "Квантовая оптика и квантовая информатика" как самостоятельную структурную единицу в составе Центра перспективных исследований (ЦПИ) СПбПУ. Информация о лаборатории содержится и регулярно обновляется на сайте группы www.theophys-lab.spbstu.ru.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В отчетный период нами продолжены теоретические исследования в направлении изучения когерентных процессов взаимодействия света с нейтральными атомами в оптических дипольных ловушках. На данном этапе нашим коллективом оптимизируется динамика одиночного квантового бита, реализованного на часовом переходе щелочного атома. В ходе совместного выполнения работы приоритетным направлением признано выявление механизмов когерентного управления состоянием кубита, а также анализ существующих источников декогеренции спинового состояния, приготовляемого на часовом переходе щелочного атома путём воздействия на него радиочастотным полем. Вместе с тем важность рамановского охлаждения атома рассматривается теперь участниками проекта, прежде всего, в контексте проблемы декогеренции и перепутывания спиновых состояний атомов. Параллельно нами проведено микроскопическое моделирование квантового информационного канала, использующего одномерную атомную структуру, локализованную вблизи наноразмерного волновода, как одного из вариантов решения проблемы квантовой памяти квантового интерфейса. В частности показано, что для организации эффективного обмена квантовыми состояниями между светом и атомным регистром достаточно задействовать порядка ста атомов, в то время как сама цепочка-регистр может состоять из нескольких тысяч атомов. Возникает удобная физическая платформа, как для создания многоэлементной квантовой памяти, так и для осуществления квантовых логических операций. Предложен ряд методов для экспериментального получения плотных микроскопических ансамблей атомов рубидия, локализованных в дипольной микроловушке. Разработанные методы основаны на использовании дипольных ловушек с динамически изменяемыми параметрами. Ловушка с изменяемым размером позволяет захватывать несколько атомов непосредственно из холодного облака в магнитооптической ловушке, и затем сжимать его до размеров микроловушки. Динамический голографический пинцет позволяет захватывать атомы в массив микроловушек и затем перемещать их в один из узлов, тем самым получая микроскопический ансамбль с точно контролируемым числом атомов.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Данный проект направлен на теоретическое и экспериментальное исследование когерентных процессов взаимодействия света с нейтральными атомами в оптических дипольных ловушках. Нами проводится моделирование и оптимизация схем приготоволения когерентных суперпозиций в спиновых состояниях одиночных атомов, а также протокола перепутывания между спиновыми подсистемами в коллективе атомов с посредством эффекта ридберговской блокады. Остаточное движение атома в удерживающем потенциале оптического пинцета непосредственно влияет на динамику приготовляемого спинового кубита и связано с такими эффектами как флуктуации интенсивности и некогерентное рассеяние лазера ловушки. В типичных экспериментальных условиях, захваченный оптическим пинцетом атом, имеет относительно высокую остаточную температуру, будучи изначально приготовленным в атомном ансамбле с помощью магнито-оптической ловушки. Остаточное движение атома приводит к эффекту допплеровского уширения атомных уровней, что, в свою очередь ограничивает эффективность как одно-, так и двухкубитных операций на основе эффекта ридберговской блокады. С целью детального анализа эффектов атомного движения нами был разработан теоретический подход, в рамках которого проведено полностью квантовое описание колебательных степеней свободы атома в оптической дипольной ловушке. Несомненное преимущество построенной модели состоит в том, что она применима и в случае относительно слабо возбуждённого атомного осциллятора, который и является наиболее значимым с точки зрения практического применения и ориентации на приготовление высокоэффективных многокубитных вентилей. Полученные результаты, демонстрирующие сравнение экспериментальных данных с проведённым теоретическим моделированием, изложены в статье принятой к публикации в журнале Phys. Rev. A Особенностью рассматриваемого подхода является возможность контроля области локализации, а также индивидуальной адресации к каждому кубиту с пространственным разрешением порядка микрона, а также возможности с высокой эффективностью манипулировать его внутренним спиновым состоянием. Это возможно благодаря методике оптической накачки, имеющей эффективность, близкую к 100%, а также возможности управления колебательным движением атома. Результаты проведённых расчётов показывают, что упорядоченные атомные массивы, состоящие из порядка десяти атомов могут кооперативным образом взаимодействовать с сигнальным светом на уровне одного фотона, и имеют высокий потенциал для разработки схем квантового интерфейса. Подобные системы также являются перспективными для создания квантового симулятора на основе перепутывания атомов с помощью механизма ридберговской блокады. Основной задачей, решаемой в рамках настоящего проекта было проведение экспериментальных исследований на базе Центра квантовых технологий (МГУ) и их теоретическая поддержка, направленная на разработку квантового регистра и квантового симулятора на основе нейтральных атомов. В эксперименте достигнута возможность создания квантового регистра и проведения логических операций на базе однокубитных вентилей, управляемых с помощью радиочастотного поля. В результате совместной работы проанализированы такие механизмы декогеренции однокубитных состояний как остаточное тепловое движения атома, флуктуации интенсивности, а также рамановское рассеяние излучения ловушки. Экспериментально продемонстрировано время когерентности порядка нескольких десятков миллисекунд для сигнала резонанса Рамзея, модифицированного с помощью методики спинового эха. Результаты проведённого численного моделирования с высокой точностью согласуются с данными эксперимента без использования каких-либо подгоночных параметров. В циркулярно поляризованной ловушке с «магической» интенсивностью было экспериментально продемонстрировано увеличение времени фазовой когерентности на порядок по сравнению с линейно поляризованной ловушкой. Часть проделанной работы посвящена исследованию схемы перепутывания, известной как логический вентиль Cz. Нами представлен расчет «достоверности» (fidelity) приготовленного состояния в зависимости от длительности протокола перепутывания. Вследствие конечности смещения уровня взаимодействием атомов в режиме Ридберговской блокады, а также эффектов дефазировки (вследствие остаточного движения атомов) существует оптимальная длительность взаимодействий. Нами предполагалось, что поперечные степени свободы атома «заморожены» посредством методики рамановского охлаждения (Raman sideband cooling), и возбуждающие лучи ориентированы в поперечной плоскости. Как и ожидалось, проведённый расчёт показывает, что в данной геометрии негативное влияние эффекта отдачи может быть минимизировано. Параллельно нами разрабатывалась микроскопическая теория для описания квантово-информационного канала, основанного на квазиодномерной атомной цепочки, удерживаемой вблизи диэлектрического наноразмерного волновода. Подобная система рассматривается нами в качестве альтернативного кандидата для решения проблемы квантовой памяти и квантового интерфейса. Нами показано, что, варьируя геометрию подобной одномерной цепи, можно добиться управления потоками распространяющегося вдоль неё света: эффективно перенаправлять излучение, усиливать его или поглощать, а также локализовывать его, формируя атомные "брэгговские зеркала" на границах рассматриваемой системы. Регулярно обновляемая информация о работе нашего коллектива может быть найдена на сайте: www.theorphys-lab.spbstu.ru