Квантовая Гуманомика - 17: Замороженный Свет
Данный фрагмент должен был появиться согласно плану где-то через
десять-двадцать прочих вводных, но поскольку временное затишье
скоро перейдет в Адский Кризис и у всех нас появятся существенно
иные заботы и дела, то чтобы не пропало безвестно как
прочие творения неизвестного гения в темной безнадежной России
девяностых пометим тему, чтоб было, таким собянинским маркером
-ТУТ БУДЕТ КРАСИВО
А пока везде строительный мусор, снуют таджики и прочая атрибутика.
Так что пока без лишних или нелишних деталей.
Итак, в последние, буквально в последние годы
внезапно появились тысячи, даже десятки тысяч
статей во всех журналах по одной, довольно эзотеричной теме -
КВАНТОВОЙ ПАМЯТИ НА РЕДКИХ ЗЕМЛЯХ
К редкоземельным элементам относятся лантаноиды, скандий и иттрий.
Они являются обычными легирующими добавками в кристаллах-хозяевах,
таких как иттрий-алюминиевый гранат (Y3Al5O12 или YAG),
Y2SiO5 (YSO), Y2O3 или YVO4 (YVO).
Оболочка 4f редкоземельных ионов в кристаллах частично заполнена и экранирована
от взаимодействия с кристаллическим окружением внешними оболочками 5s и 5p.
Электроны 4f сильно локализованы, а переходы внутри оболочки 4f - 4f запрещены
по четности в свободном пространстве, но становятся слабо разрешенными
в присутствии кристаллического поля, что приводит к резким оптическим переходам
с высокой квантовой эффективностью. Резкие оптические переходы
(эквивалентная добротность более 10^11) при криогенных температурах коррелируют
с большими временами жизни оптического T1 (от сотен мкс до мс).
Электронные зеемановские и сверхтонкие переходы в радиочастотном или микроволновом
режимах широко распространены. При легировании в матрицу YSO с
малыми ядерными магнитными моментами были достигнуты рекордные времена спиновой когерентности
- 6 часов в Eu: YSO при 2 К и 1,3 с в Er: YSO при 1,4 К.
Такое долгое время когерентности в сочетании с богатым выбором спиновых уровней
(как электронных, так и ядерных) и оптической адресуемостью делают ионы редкоземельных
элементов привлекательными кандидатами на роль кубитов в качестве строительного блока
в квантовой информатике. Кроме того, оптические переходы демонстрируют неоднородное уширение,
которое обычно в 10^5-10^6 раз превышает однородную ширину линии,
что указывает на прекрасную перспективу плотного спектрального мультиплексирования
кубитов или памяти для обеспечения большой полосы пропускания обработки и хранения данных.
Одно из наиболее успешных применений кристаллов, легированных редкоземельными элементами,
в квантовой технологии - это оптическая квантовая память. Эти воспоминания,
которые точно хранит кубит, закодированный на одном фотоне,
обладают характеристиками, не имеющими аналогов в других твердотельных системах,
включая вакансии азота в алмазах и полупроводниковые квантовые точки.
Знаменитые ансамблевые эксперименты включают хранение света до минуты
с использованием электромагнитно индуцированной прозрачности (EIT) в ортосиликате иттрия,
легированном празеодимом (Pr3 +: YSO),
квантовое накопление фотонной запутанности в YSO (Nd3 +, допированном неодимом (Nd)). : YSO),
хранение спина на квантовом уровне в Eu3 +: YSO,
условные фазовые сдвиги между двумя ансамблями европия (Eu) в YSO,
до 69% эффективной квантовой памяти для света в Pr3 +: YSO
а также квантовая оптическая связь между холодным атомарным газом и Pr3 + в YSO.
Эти ансамблевые запоминающие устройства обеспечивают естественные интерфейсы
между оптическими фотонами и спинами в радиочастотном или микроволновом режимах,
которые также можно использовать для реализации квантовых преобразователей,
соединяющих удаленные сверхпроводящие квантовые схемы.
Гибридные квантовые системы,
основанные на ансамблях редкоземельных элементов,
открывают возможности для
хранения квантов микроволнового излучения
и преобразования микроволнового излучения в оптическое.
На сегодняшний день продемонстрирована высокая кооперативность
связи спинов редкоземельных
элементов со сверхпроводящим резонатором.
Было предложено преобразование микроволнового излучения
в оптическое посредством магнитооптической связи,
и его экспериментальная реализация находится в стадии реализации.
В конечном итоге самыми мощными квантовыми технологиями на
основе редкоземельных элементов будут устройства, работающие на отдельных ионах.
На секунду остановитесь и задумайтесь над простым и ясным как
божий день фактом, что означает "хранение света до минуты”
Какое расстояние соответствует СВЕТОВОЙ МИНУТЕ?
Да, до Солнца от Земли примерно ВОСЕМЬ СВЕТОВЫХ МИНУТ.
Тут же у нас кусочек кристала, размером микроскопическим,
меньше характерных человеческих даже - и там свет
заморожен НА МИНУТУ!
И это именно свет как есть, ИСТИННЫЙ СВЕТ,
не “фосфор”, под ударом облучения светящийся,
ни лампочка электрическая, гаснущая моментально стоить выключить ток.
Это, короче, гигантская авианосная группировка с десятками невидимых
подводных лодок внезапно исчезающая в Индийском океане и столетиями
спустя возникающая в Северном Ледовитом уже.
Это феномен, подобному которому еще не было в истории
земной науки - вообще все подобные вещи оставались долгие годы
сугубо маргинальной областью, где никому и никогда
не давали теньюр в американских университетах.
И по какой-то странной, прямо-таки загадочной
причине, все эти эффекты от замороженного во времени
света приходятся на один и только один никому не
известный до поры абсолютно кристалл ортосиликата иттрия,
он же YSO: впервые подвергнутый теоретическому анализу
всего лишь в одной из глав кандидатской неизвестного гения
в безнадежной России во мгле девяностых.
Другая глава заострила лазерным фокусом ключевую
проблему высокотемпературной сверхпроводимости,
т.е. каждая глава сама по себе стоит полноценной
нобелевской, и это только ничтожно
малая часть последующих открытий.
Когда неизвестного гения в начале 21 века спрашивали
бывшие коллеги - почему он бросил физику.
Гений отвечал, что для экспериментального подтверждения
его последних идей нет никаких возможностей пока, они
появятся только через двадцать лет и что эти
двадцать лет прикажете делать?
Вот эти двадцать лет и прошли.
http://users.df.uba.ar/bragas/Labo5Verano14/G2_luz%20lenta.pdf
Остановка света и хранение изображений с помощью электромагнитно-индуцированной прозрачности в течение одной минуты
Георг Хайнце, * Кристиан Хубрих и Томас Хальфманн †
Institut fu ̈r Angewandte Physik,
Технический университет в Дармштадте,
Hochschulstraße 6, 64289 Дармштадт, Германия
(Поступила 28 марта 2013 г .; опубликована 15 июля 2013 г.)
Длительное время хранения в REIC
(rare- earth-ion-doped crystal) объясняется их уникальными
спектроскопическими свойствами.
REIC сочетают в себе преимущества свободных атомов
(т. Е. Длительное время когерентности)
и твердых тел
(т. Е. Большую оптическую плотность и масштабируемость).
Более того, данные, хранящиеся в памяти REIC,
не страдают от атомной диффузии,
которая сильно ограничивает память в газовой фазе.
В качестве еще одной важной особенности мы выделяем
очень большие времена жизни сверхтонкой популяции в REIC,
например, T1 ~ 100 с для Pr3+: Y2 SiO5 [17,18].
Однако стохастические магнитные взаимодействия между легирующими ионами
и основной матрицей приводят к уменьшению времени когерентности
T2 сверхтонких уровней основного состояния, например,
T2% 500 мкс для Pr3þ: Y2SiO5 [19].
Это устанавливает предел для хранения длительность когерентных протоколов,
например EIT. Однако есть возможности увеличить время когерентности в РЭИК
с помощью внешнего статического магнитного поля.
Последнее уменьшает стохастическое переворачивание ядерных спинов в памяти.
напряженность магнитного поля в трех измерениях (3D)
вызывает сверхтонкие переходы,
которые нечувствительны к возмущениям, создаваемым основной матрицей.
При таких конфигурациях с нулевым зеемановским сдвигом первого порядка
(ZEFOZ) времена когерентности в Pr3þ:
Y2 SiO5 были сначала расширены до 860 мс,
а затем до 30 с за счет дополнительных радиочастотных (РЧ)
развязывающих импульсов [20], хотя в этих случаях не применялись
протоколы оптического хранения. 3D-магнетизм,
ZEFOZ приводит к очень сложной (подумаешь)
структуре уровней [сравните с рис. 1 (b)].
В отсутствие магнитного поля основное состояние 3H4
и оптически возбужденное состояние
1 D2 в Pr3+: Y2 SiO5 состоят из
трех дважды вырожденных сверхтонких уровней
с энергетическими щелями в диапазоне 10 МГц.
Оптический переход 3H4 --> 1D2 находится на длине волны 606 нм.
При приложении магнитного поля все сверхтонкие уровни сдвигаются и расщепляются.
Принимая во внимание большое неоднородное уширение оптического перехода,
монохроматический лазер теперь будет управлять 36 переходами
одновременно в различных частотных ансамблях неоднородного многообразия.
Зондирование сгенерированного распределения населения дает до 1296 особенностей
в спектре поглощения. В этом беспорядке частотных ансамблей и разделенных уровней
очень сложно определить идеальные условия
(например, напряженность магнитного поля в 3D)
для ZEFOZ, а также оптимальную последовательность оптической подготовки
(например, временные профили интенсивности и частоты лазера). для EIT.
Однако только идеальные условия ZEFOZ
и идеальные оптические подготовительные последовательности
позволяют длительности хранения EIT приблизиться
к режиму времени жизни популяции T1 ~ 100 с.
Это требует умных стратегий для эффективного поиска и оптимизации
в пространстве больших параметров.
Отметим, что в принципе можно вычислить оптимальные условия ZEFOZ
из многоуровневого гамильтониана кристалла [21,22]. Однако рассчитанное поле
не будет оптимальным решением в реальных условиях, например, из-за возмущающих
магнитных полей. Даже отклонения менее 1% от оптимального (дураками посчитанного)
поля сильно
ограничивают эффективность хранения [20,23].
Даже если предположить идеальный ZEFOZ,
расчет оптимальной интенсивности и частотного профиля в подготовительном импульсе
(также с учетом эффектов распространения импульса) остается едва выполнимой задачей.
В нашем письме мы применяем экспериментальный метод для
автоматического определения оптимального магнитного поля для ZEFOZ
с помощью градиентного поиска,
а также цикл самообучения с эволюционным алгоритмом для а
втоматического поиска оптимальной последовательности подготовки.
...
десять-двадцать прочих вводных, но поскольку временное затишье
скоро перейдет в Адский Кризис и у всех нас появятся существенно
иные заботы и дела, то чтобы не пропало безвестно как
прочие творения неизвестного гения в темной безнадежной России
девяностых пометим тему, чтоб было, таким собянинским маркером
-ТУТ БУДЕТ КРАСИВО
А пока везде строительный мусор, снуют таджики и прочая атрибутика.
Так что пока без лишних или нелишних деталей.
Итак, в последние, буквально в последние годы
внезапно появились тысячи, даже десятки тысяч
статей во всех журналах по одной, довольно эзотеричной теме -
КВАНТОВОЙ ПАМЯТИ НА РЕДКИХ ЗЕМЛЯХ
К редкоземельным элементам относятся лантаноиды, скандий и иттрий.
Они являются обычными легирующими добавками в кристаллах-хозяевах,
таких как иттрий-алюминиевый гранат (Y3Al5O12 или YAG),
Y2SiO5 (YSO), Y2O3 или YVO4 (YVO).
Оболочка 4f редкоземельных ионов в кристаллах частично заполнена и экранирована
от взаимодействия с кристаллическим окружением внешними оболочками 5s и 5p.
Электроны 4f сильно локализованы, а переходы внутри оболочки 4f - 4f запрещены
по четности в свободном пространстве, но становятся слабо разрешенными
в присутствии кристаллического поля, что приводит к резким оптическим переходам
с высокой квантовой эффективностью. Резкие оптические переходы
(эквивалентная добротность более 10^11) при криогенных температурах коррелируют
с большими временами жизни оптического T1 (от сотен мкс до мс).
Электронные зеемановские и сверхтонкие переходы в радиочастотном или микроволновом
режимах широко распространены. При легировании в матрицу YSO с
малыми ядерными магнитными моментами были достигнуты рекордные времена спиновой когерентности
- 6 часов в Eu: YSO при 2 К и 1,3 с в Er: YSO при 1,4 К.
Такое долгое время когерентности в сочетании с богатым выбором спиновых уровней
(как электронных, так и ядерных) и оптической адресуемостью делают ионы редкоземельных
элементов привлекательными кандидатами на роль кубитов в качестве строительного блока
в квантовой информатике. Кроме того, оптические переходы демонстрируют неоднородное уширение,
которое обычно в 10^5-10^6 раз превышает однородную ширину линии,
что указывает на прекрасную перспективу плотного спектрального мультиплексирования
кубитов или памяти для обеспечения большой полосы пропускания обработки и хранения данных.
Одно из наиболее успешных применений кристаллов, легированных редкоземельными элементами,
в квантовой технологии - это оптическая квантовая память. Эти воспоминания,
которые точно хранит кубит, закодированный на одном фотоне,
обладают характеристиками, не имеющими аналогов в других твердотельных системах,
включая вакансии азота в алмазах и полупроводниковые квантовые точки.
Знаменитые ансамблевые эксперименты включают хранение света до минуты
с использованием электромагнитно индуцированной прозрачности (EIT) в ортосиликате иттрия,
легированном празеодимом (Pr3 +: YSO),
квантовое накопление фотонной запутанности в YSO (Nd3 +, допированном неодимом (Nd)). : YSO),
хранение спина на квантовом уровне в Eu3 +: YSO,
условные фазовые сдвиги между двумя ансамблями европия (Eu) в YSO,
до 69% эффективной квантовой памяти для света в Pr3 +: YSO
а также квантовая оптическая связь между холодным атомарным газом и Pr3 + в YSO.
Эти ансамблевые запоминающие устройства обеспечивают естественные интерфейсы
между оптическими фотонами и спинами в радиочастотном или микроволновом режимах,
которые также можно использовать для реализации квантовых преобразователей,
соединяющих удаленные сверхпроводящие квантовые схемы.
Гибридные квантовые системы,
основанные на ансамблях редкоземельных элементов,
открывают возможности для
хранения квантов микроволнового излучения
и преобразования микроволнового излучения в оптическое.
На сегодняшний день продемонстрирована высокая кооперативность
связи спинов редкоземельных
элементов со сверхпроводящим резонатором.
Было предложено преобразование микроволнового излучения
в оптическое посредством магнитооптической связи,
и его экспериментальная реализация находится в стадии реализации.
В конечном итоге самыми мощными квантовыми технологиями на
основе редкоземельных элементов будут устройства, работающие на отдельных ионах.
На секунду остановитесь и задумайтесь над простым и ясным как
божий день фактом, что означает "хранение света до минуты”
Какое расстояние соответствует СВЕТОВОЙ МИНУТЕ?
Да, до Солнца от Земли примерно ВОСЕМЬ СВЕТОВЫХ МИНУТ.
Тут же у нас кусочек кристала, размером микроскопическим,
меньше характерных человеческих даже - и там свет
заморожен НА МИНУТУ!
И это именно свет как есть, ИСТИННЫЙ СВЕТ,
не “фосфор”, под ударом облучения светящийся,
ни лампочка электрическая, гаснущая моментально стоить выключить ток.
Это, короче, гигантская авианосная группировка с десятками невидимых
подводных лодок внезапно исчезающая в Индийском океане и столетиями
спустя возникающая в Северном Ледовитом уже.
Это феномен, подобному которому еще не было в истории
земной науки - вообще все подобные вещи оставались долгие годы
сугубо маргинальной областью, где никому и никогда
не давали теньюр в американских университетах.
И по какой-то странной, прямо-таки загадочной
причине, все эти эффекты от замороженного во времени
света приходятся на один и только один никому не
известный до поры абсолютно кристалл ортосиликата иттрия,
он же YSO: впервые подвергнутый теоретическому анализу
всего лишь в одной из глав кандидатской неизвестного гения
в безнадежной России во мгле девяностых.
Другая глава заострила лазерным фокусом ключевую
проблему высокотемпературной сверхпроводимости,
т.е. каждая глава сама по себе стоит полноценной
нобелевской, и это только ничтожно
малая часть последующих открытий.
Когда неизвестного гения в начале 21 века спрашивали
бывшие коллеги - почему он бросил физику.
Гений отвечал, что для экспериментального подтверждения
его последних идей нет никаких возможностей пока, они
появятся только через двадцать лет и что эти
двадцать лет прикажете делать?
Вот эти двадцать лет и прошли.
http://users.df.uba.ar/bragas/Labo5Verano14/G2_luz%20lenta.pdf
Остановка света и хранение изображений с помощью электромагнитно-индуцированной прозрачности в течение одной минуты
Георг Хайнце, * Кристиан Хубрих и Томас Хальфманн †
Institut fu ̈r Angewandte Physik,
Технический университет в Дармштадте,
Hochschulstraße 6, 64289 Дармштадт, Германия
(Поступила 28 марта 2013 г .; опубликована 15 июля 2013 г.)
Длительное время хранения в REIC
(rare- earth-ion-doped crystal) объясняется их уникальными
спектроскопическими свойствами.
REIC сочетают в себе преимущества свободных атомов
(т. Е. Длительное время когерентности)
и твердых тел
(т. Е. Большую оптическую плотность и масштабируемость).
Более того, данные, хранящиеся в памяти REIC,
не страдают от атомной диффузии,
которая сильно ограничивает память в газовой фазе.
В качестве еще одной важной особенности мы выделяем
очень большие времена жизни сверхтонкой популяции в REIC,
например, T1 ~ 100 с для Pr3+: Y2 SiO5 [17,18].
Однако стохастические магнитные взаимодействия между легирующими ионами
и основной матрицей приводят к уменьшению времени когерентности
T2 сверхтонких уровней основного состояния, например,
T2% 500 мкс для Pr3þ: Y2SiO5 [19].
Это устанавливает предел для хранения длительность когерентных протоколов,
например EIT. Однако есть возможности увеличить время когерентности в РЭИК
с помощью внешнего статического магнитного поля.
Последнее уменьшает стохастическое переворачивание ядерных спинов в памяти.
напряженность магнитного поля в трех измерениях (3D)
вызывает сверхтонкие переходы,
которые нечувствительны к возмущениям, создаваемым основной матрицей.
При таких конфигурациях с нулевым зеемановским сдвигом первого порядка
(ZEFOZ) времена когерентности в Pr3þ:
Y2 SiO5 были сначала расширены до 860 мс,
а затем до 30 с за счет дополнительных радиочастотных (РЧ)
развязывающих импульсов [20], хотя в этих случаях не применялись
протоколы оптического хранения. 3D-магнетизм,
ZEFOZ приводит к очень сложной (подумаешь)
структуре уровней [сравните с рис. 1 (b)].
В отсутствие магнитного поля основное состояние 3H4
и оптически возбужденное состояние
1 D2 в Pr3+: Y2 SiO5 состоят из
трех дважды вырожденных сверхтонких уровней
с энергетическими щелями в диапазоне 10 МГц.
Оптический переход 3H4 --> 1D2 находится на длине волны 606 нм.
При приложении магнитного поля все сверхтонкие уровни сдвигаются и расщепляются.
Принимая во внимание большое неоднородное уширение оптического перехода,
монохроматический лазер теперь будет управлять 36 переходами
одновременно в различных частотных ансамблях неоднородного многообразия.
Зондирование сгенерированного распределения населения дает до 1296 особенностей
в спектре поглощения. В этом беспорядке частотных ансамблей и разделенных уровней
очень сложно определить идеальные условия
(например, напряженность магнитного поля в 3D)
для ZEFOZ, а также оптимальную последовательность оптической подготовки
(например, временные профили интенсивности и частоты лазера). для EIT.
Однако только идеальные условия ZEFOZ
и идеальные оптические подготовительные последовательности
позволяют длительности хранения EIT приблизиться
к режиму времени жизни популяции T1 ~ 100 с.
Это требует умных стратегий для эффективного поиска и оптимизации
в пространстве больших параметров.
Отметим, что в принципе можно вычислить оптимальные условия ZEFOZ
из многоуровневого гамильтониана кристалла [21,22]. Однако рассчитанное поле
не будет оптимальным решением в реальных условиях, например, из-за возмущающих
магнитных полей. Даже отклонения менее 1% от оптимального (дураками посчитанного)
поля сильно
ограничивают эффективность хранения [20,23].
Даже если предположить идеальный ZEFOZ,
расчет оптимальной интенсивности и частотного профиля в подготовительном импульсе
(также с учетом эффектов распространения импульса) остается едва выполнимой задачей.
В нашем письме мы применяем экспериментальный метод для
автоматического определения оптимального магнитного поля для ZEFOZ
с помощью градиентного поиска,
а также цикл самообучения с эволюционным алгоритмом для а
втоматического поиска оптимальной последовательности подготовки.
...