najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМОnajo-1203Research ArticleСтатьиOptical information processing based on nonlinear properties of atomic gasesРеализация элементной базы оптических информационных технологий на основе нелинейных оптических свойств атомных газовМирошниченкоГ. П.MiroshnichenkoG. P.

Санкт-Петербург

gpmirosh@gmail.comТрифановА. И.TrifanovA. I.

Санкт-Петербург

alextrifanov@gmail.comСанкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптикиRussian Federation201118082025216481Copyright © Miroshnichenko G.P., Trifanov A.I., 20252025Мирошниченко Г.П., Трифанов А.И.Miroshnichenko G.P., Trifanov A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nanojournal.ifmo.ru/jour/article/view/1203

.

В полуклассическом приближении исследуются эффекты, связанные с нелинейным взаимодействием электромагнитного поля со средой. В частности, в стационарном режиме рассматривается взаимодействие четырех мод поля с переходами пятиуровневой атомной 𝑀-схемы. Найдены условия, при которых М-схема по своим оптическим свойствам близка к двух или трехуровневым схемам. На основе восьми полученных для атомной матрицы плотности решений рассчитаны суммарные набеги фаз рабочих волн и показано, что М-схема может выполнять операцию дважды контролируемого набега фазы. На примере взаимодействия электромагнитного поля с трехуровневой Λ-схемой исследуется гистерезис в нелинейной оптической системе с бистабильностью абсорбционного типа. Роль нелинейного элемента играет ячейка с парами атомов Λ-типа, помещенная в однонаправленный кольцевой резонатор. В обратную связь включены два электромагнитных поля, взаимодействующие с двумя атомными переходами. Найдена двумерная область стабильности в координатах начальных интенсивностей полей и исследована зависимость ее формы от значений различных параметров оптической системы. Получены кривые «вход-выход», отвечающие различным траекториям в области стабильности.

оптические информационные технологииэффект Керраэлектромагнитно-индуцированная прозрачностьфазовый гейтобратная связьоптическая бистабильностьгистерезисРабота поддержана Грантом Правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» №2.1.1/9425, Федеральной целевой программой «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России» 2009-2013 годы, гос. контракт №П689, проект НК-526П/24.ReferencesМандель Л., Вольф Э., Оптическая когерентность и квантовая оптика, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000.Мандель Л., Вольф Э., Оптическая когерентность и квантовая оптика, М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000.Scheleich W.P., Quantum Optics in Phase Space, 1st ed., WILEY-VCH Verlag Berlin GmbH, 2001.Scheleich W.P., Quantum Optics in Phase Space, 1st ed., WILEY-VCH Verlag Berlin GmbH, 2001.Peres A., Quantum Theory: Concepts and Methods, Kluwer Academic Publishers, 2002.Peres A., Quantum Theory: Concepts and Methods, Kluwer Academic Publishers, 2002.Nielsen M. A., Chuang I. L. Quantum computation and quantum information, Cambridge University Press, Cambridge, 2000.Nielsen M. A., Chuang I. L. Quantum computation and quantum information, Cambridge University Press, Cambridge, 2000.Bouwmeester D., Ekert A.,Zeilinger A., The Physics of Quantum Information, Springer, Berlin, 2000.Bouwmeester D., Ekert A.,Zeilinger A., The Physics of Quantum Information, Springer, Berlin, 2000.Knill E., Laflamme R., Milburn G. J., A scheme for efficient linear optics quantum computation // Nature, 2001, 409, 46.Knill E., Laflamme R., Milburn G. J., A scheme for efficient linear optics quantum computation // Nature, 2001, 409, 46.Kok P., Munro W.J., Ralph T.C., Dowling J.P., Milburn G.J. Linear optical quantum computing with photonic qubits // Rew.Mod.Phys., 2007, 79, 135.Kok P., Munro W.J., Ralph T.C., Dowling J.P., Milburn G.J. Linear optical quantum computing with photonic qubits // Rew.Mod.Phys., 2007, 79, 135.Elliott Ch., Building the quantum network // New Journal of Physics, 2002, 4, 46.1.Elliott Ch., Building the quantum network // New Journal of Physics, 2002, 4, 46.1.Kimble H. J. Review Article. The quantum internet // Nature, 2008, 453, 1023.Kimble H. J. Review Article. The quantum internet // Nature, 2008, 453, 1023.Tanabe T., Notomi M., Taniyama H., Kuramochi E., Dynamic release of trapped light from an ultrahigh-Q nanocavity via adiabatic frequency tuning // Phys. Rev. Lett., 2009, 102, 043907.Tanabe T., Notomi M., Taniyama H., Kuramochi E., Dynamic release of trapped light from an ultrahigh-Q nanocavity via adiabatic frequency tuning // Phys. Rev. Lett., 2009, 102, 043907.Maitre X., Hagley E., Nogues G., Wunderlich C., Goy P., Brune M., Raimond J. M., Haroche S., Quantum memory with a single photon in a cavity // Phys. Rev. Lett., 1997, 79, 769.Maitre X., Hagley E., Nogues G., Wunderlich C., Goy P., Brune M., Raimond J. M., Haroche S., Quantum memory with a single photon in a cavity // Phys. Rev. Lett., 1997, 79, 769.Leung P. M., Ralph T. C., Quantum memory scheme based on optical fibers and cavities // Phys. Rev. A, 2006, 74, 022311.Leung P. M., Ralph T. C., Quantum memory scheme based on optical fibers and cavities // Phys. Rev. A, 2006, 74, 022311.T. B. Pittman and J. D. Franson, Cyclical quantum memory for photonic qubits // Phys. Rev. A, 66, 062302, (2002).T. B. Pittman and J. D. Franson, Cyclical quantum memory for photonic qubits // Phys. Rev. A, 66, 062302, (2002).T. B. Pittman, B. C. Jacobs, and J. D. Franson, Single photons on pseudodemand from stored parametric down-conversion // Phys. Rev. A, 66, 042303, (2002).T. B. Pittman, B. C. Jacobs, and J. D. Franson, Single photons on pseudodemand from stored parametric down-conversion // Phys. Rev. A, 66, 042303, (2002).Nicolas Sangouard, Christoph Simon, Jiri Minar, Hugo Zbinden, Hugues de Riedmatten, and Nicolas Gisin, Long-distance entanglement distribution with single-photon sources // Phys. Rev. A, 76, 050301, (2007).Nicolas Sangouard, Christoph Simon, Jiri Minar, Hugo Zbinden, Hugues de Riedmatten, and Nicolas Gisin, Long-distance entanglement distribution with single-photon sources // Phys. Rev. A, 76, 050301, (2007).L.-M. Duan, M. D. Lukin, J. I. Cirac, P. Zoller, Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics // Nature, 414, 413, (2001).L.-M. Duan, M. D. Lukin, J. I. Cirac, P. Zoller, Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics // Nature, 414, 413, (2001).Denis V. Vasilyev, Ivan V. Sokolov, and Eugene S. Polzik, Quantum memory for images: A quantum hologram // Phys. Rev. A, 77, 020302, (2008).Denis V. Vasilyev, Ivan V. Sokolov, and Eugene S. Polzik, Quantum memory for images: A quantum hologram // Phys. Rev. A, 77, 020302, (2008).Boyd R. W., Nonlinear Optics, 2nd ed. (Academic Press, Amsterdam, -2003).Boyd R. W., Nonlinear Optics, 2nd ed. (Academic Press, Amsterdam, -2003).Клышко Д.Н., Фотонная и нелинейная оптика, М.: Наука, -1980. -259с.Клышко Д.Н., Фотонная и нелинейная оптика, М.: Наука, -1980. -259с.Килин С.Я., Квантовая оптика: поля и их детектирование. (Наука и техника, Минск, 1990).Килин С.Я., Квантовая оптика: поля и их детектирование. (Наука и техника, Минск, 1990).Agrawal G. P., Baldeck P. L., Alfano R. R., Temporal and spectral effects of cross-phase modulation on copropagating ultrashort pulses in optical fibers // Phys. Rev. A, 40, 5063-5072, (1989).Agrawal G. P., Baldeck P. L., Alfano R. R., Temporal and spectral effects of cross-phase modulation on copropagating ultrashort pulses in optical fibers // Phys. Rev. A, 40, 5063-5072, (1989).Harris S. E., Yamamoto Y., Photon Switching by Quantum Interference // Phys. Rev. Lett., 81, 3611-3614, 1998Harris S. E., Yamamoto Y., Photon Switching by Quantum Interference // Phys. Rev. Lett., 81, 3611-3614, 1998Розанов Н.Н., Оптическая бистабильность и гистерезис в распределенных нелинейных системах, М.: Наука. Физматлит., -1997, -336с.Розанов Н.Н., Оптическая бистабильность и гистерезис в распределенных нелинейных системах, М.: Наука. Физматлит., -1997, -336с.Kok P., Effects of self-phase-modulation on weak nonlinear optical quantum gates // Phys. Rev. A, 77, 013808- 1/7, (2008).Kok P., Effects of self-phase-modulation on weak nonlinear optical quantum gates // Phys. Rev. A, 77, 013808- 1/7, (2008).Ottaviani C., Vitali D, Artoni M., Cataliotti F., Tombesi P., Polarization Qubit Phase Gate in Driven Atomic Media // Phys. Rev. Lett., 90, 197902-1/4, (2003).Ottaviani C., Vitali D, Artoni M., Cataliotti F., Tombesi P., Polarization Qubit Phase Gate in Driven Atomic Media // Phys. Rev. Lett., 90, 197902-1/4, (2003).Ottaviani C., Rebic S., Vitali D., Tombesi P., Quantum phase-gate operation based on nonlinear optics: Full quantum analysis // Phys. Rev. A, 73, 010301-1/4, (2006).Ottaviani C., Rebic S., Vitali D., Tombesi P., Quantum phase-gate operation based on nonlinear optics: Full quantum analysis // Phys. Rev. A, 73, 010301-1/4, (2006).Б. Д. Агапьев, М.Б. Горный, Б.Г. Матисов, Ю.В. Рождественский, Когерентное пленение населенностей в квантовых системах // УФН, 163, 9, 1 - 36, (1993).Б. Д. Агапьев, М.Б. Горный, Б.Г. Матисов, Ю.В. Рождественский, Когерентное пленение населенностей в квантовых системах // УФН, 163, 9, 1 - 36, (1993).Arimondo E., Progress in optics, -V 35, chapter V, Amsterdam, Elsevier-1996, -P. 475.Arimondo E., Progress in optics, -V 35, chapter V, Amsterdam, Elsevier-1996, -P. 475.Fleischhauer M., Imamoglu A., Marangos J. P., Electromagnetically induced transparency: Optics in coherent media // Rev. of Mod. Phys., 77, 633-673, (2005).Fleischhauer M., Imamoglu A., Marangos J. P., Electromagnetically induced transparency: Optics in coherent media // Rev. of Mod. Phys., 77, 633-673, (2005).Gray H.R., Whitly R.M., Stroud C.R., Coherent trapping of atomic populations // Opt. Lett., 3, 218-220, (1978).Gray H.R., Whitly R.M., Stroud C.R., Coherent trapping of atomic populations // Opt. Lett., 3, 218-220, (1978).Pack M. V., Camacho R. M., Howell J. C., Transients of the electromagnetically-induced-transparency-enhanced refractive Kerr nonlinearity: Theory // Phys. Rev. A, 74, 013812-1/9, (2006).Pack M. V., Camacho R. M., Howell J. C., Transients of the electromagnetically-induced-transparency-enhanced refractive Kerr nonlinearity: Theory // Phys. Rev. A, 74, 013812-1/9, (2006).Скалли М.О., Зубайри М.С., Квантовая оптика, М. Физматлит., -2003, -512с.Скалли М.О., Зубайри М.С., Квантовая оптика, М. Физматлит., -2003, -512с.Boller, K. J., A. Imamoglu, S. E. Harris, Observation of electromagnetically induced transparency // Phys. Rev. Lett., 66, 2593-2596, (1991)Boller, K. J., A. Imamoglu, S. E. Harris, Observation of electromagnetically induced transparency // Phys. Rev. Lett., 66, 2593-2596, (1991)Fleischhauer, M., M. D. Lukin, A. B. Matsko, M. O.Scully, Threshold and Linewidth of a Mirrorless Parametric Oscillator // Phys. Rev. Lett., 84, 3558-3561, (2000).Fleischhauer, M., M. D. Lukin, A. B. Matsko, M. O.Scully, Threshold and Linewidth of a Mirrorless Parametric Oscillator // Phys. Rev. Lett., 84, 3558-3561, (2000).Kuklinski, J. R., Gaubatz U., Hioe T. F., Bergmann K., Adiabatic population transfer in a three-level system driven by delayed laser pulses // Phys. Rev. A, 40, 6741-6744, (1989).Kuklinski, J. R., Gaubatz U., Hioe T. F., Bergmann K., Adiabatic population transfer in a three-level system driven by delayed laser pulses // Phys. Rev. A, 40, 6741-6744, (1989).Kasapi A., Maneesh Jain, G.Y. Yin, S.E. Harris, Electromagnetically Induced Transparency: Propagation Dynamics // Phys.Rev.Lett., 74, 2447-2451, (1995).Kasapi A., Maneesh Jain, G.Y. Yin, S.E. Harris, Electromagnetically Induced Transparency: Propagation Dynamics // Phys.Rev.Lett., 74, 2447-2451, (1995).R. Bonifacio and L. A. Lugiato, Optical bistability and cooperative effects in resonance fluorescence // Phys. Rev. A, 18, 1129-1144, (1978).R. Bonifacio and L. A. Lugiato, Optical bistability and cooperative effects in resonance fluorescence // Phys. Rev. A, 18, 1129-1144, (1978).Agarwal G.P., Carmichael H.J., Optical bistability through nonlinear dispersion and absorption // Phys. Rev. A, 19, 2074-2086, (1979).Agarwal G.P., Carmichael H.J., Optical bistability through nonlinear dispersion and absorption // Phys. Rev. A, 19, 2074-2086, (1979).L. A. Lugiato, Progress in Optics, edited by E. Wolf (North-Holland, Amsterdam, 1984), Vol. XXI, p. 69.L. A. Lugiato, Progress in Optics, edited by E. Wolf (North-Holland, Amsterdam, 1984), Vol. XXI, p. 69.Walls D.F., Zoller P., A coherent nonlinear mechanism for optical bistability from three level atoms // Opt. Commun., 34, 260-264, (1980).Walls D.F., Zoller P., A coherent nonlinear mechanism for optical bistability from three level atoms // Opt. Commun., 34, 260-264, (1980).Harshawardhan W., Agarwal G. S., Controlling optical bistability using electromagnetic-field-induced transparency and quantum interferences // Phys. Rev. A, 53, 1812-1817, (1996).Harshawardhan W., Agarwal G. S., Controlling optical bistability using electromagnetic-field-induced transparency and quantum interferences // Phys. Rev. A, 53, 1812-1817, (1996).Wang H., Goorskey D.J., Xiao M., Bistability and instability of three-level atoms inside an optical cavity // Phys. Rev. A, 65, 011801-1/4, (2001).Wang H., Goorskey D.J., Xiao M., Bistability and instability of three-level atoms inside an optical cavity // Phys. Rev. A, 65, 011801-1/4, (2001).Joshi A., Brown A., Wang H., Xiao M., Controlling optical bistability in a three-level atomic system // Phys. Rev. A, 67, 041801-1/4, (2003).Joshi A., Brown A., Wang H., Xiao M., Controlling optical bistability in a three-level atomic system // Phys. Rev. A, 67, 041801-1/4, (2003).Joshi A., Xiao M., Optical Multistability in Three-Level Atoms inside an Optical Ring Cavity // Phys. Rev. Lett., 91, 143904-1/4, (2003).Joshi A., Xiao M., Optical Multistability in Three-Level Atoms inside an Optical Ring Cavity // Phys. Rev. Lett., 91, 143904-1/4, (2003).Fredkin E., Toffoli T., Conservative logic // Inter. Journ. of Theor. Phys., 21, 12, 219-253, (1982).Fredkin E., Toffoli T., Conservative logic // Inter. Journ. of Theor. Phys., 21, 12, 219-253, (1982).Turchette Q.A., Hood C.J., Lange W., Mabuchi H., Kimble H.J., Measurement of Conditional Phase Shifts for Quantum Logic // Phys. Rev. Lett., 75, 4710-4713, (1995).Turchette Q.A., Hood C.J., Lange W., Mabuchi H., Kimble H.J., Measurement of Conditional Phase Shifts for Quantum Logic // Phys. Rev. Lett., 75, 4710-4713, (1995).K. J. Resch et al., Conditional-Phase Switch at the Single-Photon Level // Phys. Rev. Lett., 89, 037904-1/4, (2002).K. J. Resch et al., Conditional-Phase Switch at the Single-Photon Level // Phys. Rev. Lett., 89, 037904-1/4, (2002).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.