Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проведены исследования, направленные на поиск оптимальных экспериментальных условий для генерации квантово-коррелированных состояний полей оптического и терагерцового диапазонов и детектирования их неклассических параметров. Развиты экспериментальные основы и схема измерения статистических распределений и корреляции показаний оптических и терагерцовых детекторов аналогового типа. Определены режимы наименьшей дисперсии элементарного заряда, соответствующего детектированию одиночного терагерцового фотона в установке для регистрации корреляционных характеристик оптико-терагерцовых бифотонов. Предложен способ оптимизации режима детектирования низкоэнергетичных импульсов терагерцового излучения сверхпроводящим болометром, позволяющий проводить статистический анализ числа зарегистрированных фотонов терагерцовой частоты. Разработана процедура и программный комплекс для определения нормированной корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов и NRF-фактора (дисперсии разностного фототока) по показаниям детекторов сигнального оптического и холостого терагерцового излучения при параметрическом рассеянии света в сильно частотно-невырожденном режиме. Предложена оригинальная конструкция сопрягающего элемента из материала высокоомного кремния для расширения углового модового состава холостого излучения параметрического рассеяния, детектируемого терагерцовым приемником, и увеличения эффективности регистрации оптико-терагерцовых корреляций. Проведен анализ экспериментально измеренных температурных зависимостей угловых распределений интенсивности сигнальных волн в оптическом диапазоне. Показано, что такой анализ позволяет без прямого детектирования терагерцовой составляющей поля спонтанного параметрического рассеяния предсказать, каким образом при изменении температуры кристалла происходит изменение корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов и общего числа холостых фотонов, генерируемых в терагерцовом диапазоне, а также отдельно изучить поведение вкладов классических тепловых флуктуаций и чисто квантовых флуктуаций поля в эти параметры. Развиты теоретические подходы к анализу параметров сильно невырожденного параметрического рассеяния света, применимые в случаях произвольных значений коэффициента параметрического усиления в нелинейной среде. Исследован метод диагонализации оператора нелинейного взаимодействия, учитывающий тензорный характер квадратичной восприимчивости нелинейного кристалла. Для диагонализованного оператора взаимодействия найдены решения уравнений эволюции операторов рассеянного поля, позволяющие записать матрицу рассеяния при произвольных коэффициентах параметрического усиления. Для кристалла ниобата лития найдены угловые зависимости собственных азимутальных мод рассеянного излучения при различных значениях частоты холостого терагерцового излучения. Найдены собственные значения собственных азимутальных мод, позволяющие найти эффективное число мод при различных значениях частоты терагерцового излучения и при различных коэффициентах параметрического усиления. Показано, что с ростом частоты терагерцового излучения эффективное число мод растет, а угловая ширина каждой моды уменьшается. Показано, что рост эффективного числа мод с ростом частоты холостого терагерцового излучения приводит к тому, что чем выше эта частота, тем больше требуется интенсивность накачки для перехода к вынужденному режиму рассеяния. Помимо этого, начат новый этап работ, нацеленный непосредственно на применение полученных квантовых состояний излучения в квантовой фотометрии. Собрана экспериментальная установка для измерения статистических параметров бифотонных полей, генерируемых при спонтанном параметрическом рассеянии типа II в коллинеарном частотно-вырожденном режиме. Установка предназначена для измерения квантовой эффективности счетных детекторов оптического излучения и дальнейшего перехода на калибровку детекторов, работающих в аналоговом режиме регистрации. Предложена стробируемая схема для безэталонной калибровки аналоговых фотодетекторов на основе измерения корреляционных функций их фототоков при регистрации сигнального и холостого излучения спонтанного параметрического рассеяния света. Размещен заказ на закупку и заключен договор на поставку лазерной системы ультракоротких импульсов пикосекундной длительности производства ООО «Фемтоника» с длиной волны излучения 1053нм и частотой повторения импульсов 100Гц. В рамках софинансирования (4.3%) также принято участие в размещении заказа на закупку мощного пикосекундного Nd:YAG лазера с диодной накачкой, килогерцовой частотой повторения импульсов и с генерацией на длинах волн 1064 нм, 532 нм и 355 нм. Использование данных лазерных систем в ходе выполнения этапа проекта 2021г. позволит в схеме измерения оптико-терагерцовых корреляций уменьшить число продольных мод детектирования, осуществлять режим спонтанного рассеяния при сохранении необходимых для успешной регистрации значений потоков терагерцовых фотонов, а также развить метод квантовой калибровки аналоговых детекторов излучения в новой установке с параметрическим рассеянием в режиме высокого усиления. По результатам проекта подготовлено и направлено в печать 7 новых публикаций, из которых 3 опубликованы в журналах Applied Physics Letters (Q1), JETP Letters и Proceedings of SPIE, 3 приняты в печать в изданиях IEEE Xplore. Сделано 7 выступлений с докладами на международных конференциях (19th International Conference Laser Optics ICLO 2020, TERA-2020 International Conference Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection and Applications, 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves IRMMW-THz 2020) и выступление на Всероссийской Микроволновой Конференции. Результаты выполнения проекта освещались в 2020г. в СМИ и на информационных ресурсах в сети Интернет: https://www.gazeta.ru/science/news/2020/07/13/n_14664619.shtml, https://indicator.ru/physics/teragercovoe-izluchenie-kvantovykh-tekhnologiyakh-14-07-2020.htm?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop https://www.nanonewsnet.ru/news/2020/teragertsovoe-izluchenie-ispolzovali-v-kvantovykh-tekhnologiyakh https://indicator.ru/physics/teragercovoe-izluchenie-kvantovykh-tekhnologiyakh-14-07-2020.htm?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop http://intofact.ru/uchenye-pokazali-kak-ispolzovat-teragertsovoe-izluchenie-v-kvantovyh-tehnologiyah/ https://top4man.ru/news-407921-uchenye-pokazali-kak-ispolzovat-teragertsovoe-izluchenie-v-kvantovyh-tehnologiyah.html https://yandex.ru/news/story/Uchenye_pokazali_kak_ispolzovat_teragercovoe_izluchenie_v_kvantovykh_tekhnologiyakh--7d76c8108551c6559beded116a3953af?lr=10777&lang=ru&stid=zqwi&persistent_id=105387826&rubric=science&from=rubric https://www.msu.ru/science/main_themes/uchenye-pokazali-vozmozhnost-ispolzovaniya-teragertsovogo-izlucheniya-v-kvantovykh-tekhnologiyakh.html https://phys.msu.ru/rus/news/archive_news/27817/ https://xn--m1afn.xn--p1ai/news/release/uchenye-pokazali-vozmozhnost-ispolzovaniya-teragertsovogo-izlucheniya-v-kvantovykh-tekhnologiyakh/# https://link.springer.com/article/10.1134%2FS0021364020170099 https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0012518 https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11582/2581216/Generation-and-detection-of-highly-correlated-optical-terahertz-biphotons/10.1117/12.2581216.full

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Теоретически исследована структура азимутальных собственных мод оптико-терагерцового бифотонного поля, возникающего при сильно-невырожденном параметрическом рассеянии света. С помощью матрицы рассеяния, имеющей диагональный вид в базисе азимутальных собственных мод, рассчитаны величины нормированной корреляционной функции интенсивностей (g2) сигнального оптического и холостого терагерцового излучения, рассеянных под разными углами, а также фактор подавления шума (NRF), выражающийся через дисперсию разности чисел фотонов. Исследовано, как измеряемые величины g2 и NRF зависят от угловых апертур детекторов, регистрирующих фотоны оптического и терагерцового рассеянного излучения. Показано, что для получения высоких значений g2, свидетельствующих о неклассической статистике оптико-терагерцового излучения, следует использовать как можно более малые угловые апертуры детекторов для уменьшения эффективного числа мод, регистрируемых детекторами. В то же время, для получения низких значений NRF, также свидетельствующих о неклассической статистике излучения, следует использовать как можно более большие и при этом одинаковые угловые апертуры детекторов по азимутальным углам во избежание потерь фотонов, принадлежащих сопряженным модам. Dvernik L.S., Prudkovskii P.A. «Azimuthal eigenmodes at strongly non degenerate parametric down conversion» https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00340-021-07634-5 Prudkovskii P.A., Dvernik L.S. «The structure of azimuthal eigenmodes of the optical-terahertz biphoton field» https://ieeexplore.ieee.org/document/9370605 Leontyev A.A., Prudkovskii P.A., Kitaeva G.Kh. «Theoretical study of quantum-correlated optical-terahertz biphotons» https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9370595 Создана и апробирована схема для генерации и детектирования коррелированных потоков оптического и терагерцового излучения как в спонтанном, так и в вынужденном режимах сильно-невырожденного параметрического рассеяния света. Исследована возможность анализа статистики фотонов терагерцового излучения при их регистрации при помощи сверхпроводящего болометра. Показано, что статистические распределения показаний болометра можно аппроксимировать при помощи функции, являющейся сверткой пуассоновского распределения, описывающего статистику фотодетектирования отдельных терагерцовых фотонов, с гауссовой функцией, описывающей разброс значений показаний болометра при регистрации одиночного фотона. Показано, что аппроксимация экспериментальных гистограмм показаний болометра при помощи этой функции позволяет с определенной точностью определить среднее значение показаний болометра, соответствующих детектированию одного фотона, и среднее число терагерцовых фотонов, регистрируемых болометром за время строба. Prudkovskii P.A., Leontyev A.A., Kuznetsov K.A., Kitaeva G.Kh. «Towards measuring terahertz photon statistics by a superconducting bolometer» https://www.mdpi.com/1424-8220/21/15/4964/htm Kitaeva G.Kh. «Generation and detection of quantum-correlated pairs of optical and terahertz photons» https://altconference.org/documents/proceedings/Book%20of%20Abstracts%20ALT_2021_DOI[3807].pdf Разработаны и апробированы методики измерения параметров неклассичности коррелированных потоков фотонов оптических и терагерцовых частот: нормированной корреляционной функции оптико-терагерцовых бифотонов, фактора подавления шума разностного фототока детекторов сигнального и холостого излучения. Экспериментально определен характер изменения этих величин и погрешности измерения при различных значениях коэффициента параметрического усиления. Показано, что важным этапом обработки первичных экспериментально зарегистрированных распределений аналоговых показаний детекторов является процедура дискриминации шумовых показаний. Разработаны 2 способа дискриминации, которые могут успешно применяться при измерении корреляции токов сигнальных и холостых детекторов. Показано, что лучшую точность определения нормированной корреляционной функции второго порядка дает способ условной дискриминации, реализуемый при использовании однофотонного детектора в схеме регистрации сигнального оптического излучения. Этот способ может успешно применяться при измерении абсолютных значений квантовой эффективности детекторов. Второй разработанный способ – способ независимой пороговой дискриминации, позволяет регистрировать добавки к корреляционной функции бифотонного поля второго порядка за счет более высоких корреляционных моментов поля. Этот способ дискриминации перспективен в приложениях квантовой сенсорики и визуализации, ориентированных на измерение относительного уровня квантовой корреляции при воздействии внешних факторов в терагерцовом диапазоне частот. Leontyev A.A., Kuznetsov K.A., Prudkovskii P.A., Kitaeva G.Kh. «Direct measurement of the correlation function of optical-terahertz biphotons» https://ieeexplore.ieee.org/document/9566997 https://www.youtube.com/watch?v=cQZGeDxvD8E&t=2797s Разработана методика безэталонного определения квантовой эффективности аналоговых фотодетекторов, являющаяся развитием метода Д.Н.Клышко безэталонной калибровки фотодетекторов счетного типа. Методика апробирована на примере фотодетекторов оптического диапазона, регистрирующих бифотонные состояния поля, рассеянного в процессе почти вырожденного параметрического рассеяния света. Разработаны способы дискриминации шумов аналоговых детекторов, использующие возможность аппроксимации распределений показаний детекторов функцией распределения, являющейся сверткой пуассоновского и гауссовского распределений. Предложенную методику планируется использовать для калибровки сверхпроводящего болометра и других детекторов излучения терагерцового диапазона. Разработаны принципы и определены общие условия применимости различных методов калибровки квантовой эффективности охлаждаемых терагерцовых детекторов в схеме частотно-невырожденного параметрического рассеяния света: 1) метода Клышко в режиме спонтанного параметрического рассеяния, модифицированного с учетом измерения корреляционной функции бифотонного поля с помощью аналоговых детекторов, 2) метода, основанного на измерении фактора подавления шума разностного фототока в режиме параметрического рассеяния с высоким коэффициентом усиления, 3) нового метода, основанного на анализе результатов условного отбора показаний аналогового терагерцового детектора по показаниям однофотонного детектора в оптическом сигнальном канале детектирования. Safronenkov D.A., Borshchevskaya N.A., Novikova T.I., Katamadze K.G., Kuznetsov K.A., Kitaeva G.Kh. «Measurement of the biphoton second-order correlation function with analog detectors» https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-22-36644&id=461983 Кузнецов К.А., Сафроненков Д.А., Прудковский П.А., Леонтьев А.А., Новикова Т.И., Катамадзе К.Г., Борщевская Н.А., Китаева Г.Х. «Абсолютная квантовая фотометрия» https://elibrary.ru/item.asp?id=46704637 По результатам работы в 2021 году опубликовано 8 печатных работ в изданиях, входящих в систему цитирования РИНЦ и международные системы цитирования. Из них 6 статей в изданиях, входящих в международные системы цитирования WOS и Scopus, в том числе в журналах Optics Express (Q1), Sensors (Q1), Applied Physics B. Сделано 6 докладов (включая 3 приглашенных и 1 пленарный) на международных и Российских конференциях 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves IRMMW-THz 2021, 4rd International School on Quantum Technologies, Российский форум «Микроэлектроника 2021», “Sensing with Quantum Light” ( 754. WE-Heraeus-Seminar 2021), Advanced Laser Technologies (ALT 21).