Одной из актуальных проблем современной квантовой оптики и информатики, решение которой необходимо для широкого внедрения квантовых криптографических сетей, реализации оптических квантовых компьютеров, а также для проведения поисковых исследований, является проблема создания эффективных источников однофотонных состояний света [1-4]. В частности, высококачественные однофотонные источники необходимы для реализации эффективных протоколов дальнодействующей квантовой связи, использующих квантовые повторители [5,6]. Внедрение последних позволит преодолеть существующий предел радиуса действия квантовой сети (порядка 100 км) и создать, в результате, квантовый Интернет, обладающий безусловной стойкостью. Кроме того, такие источники необходимы для реализации аппаратнонезависимой квантовой криптографии (см., например, [7]) и линейных оптических квантовых вычислений [8]. Перспективным подходом к решению проблемы является создание однофотонных источников на основе нелинейных оптических явлений с использованием интегральных оптических схем (фотонных чипов) [9,10]. Миниатюризация источника позволит реализовать сложные оптические схемы с очень высокой стабильностью и низкими потерями, повысить скорость срабатывания оптических модуляторов и уменьшить потребляемую мощность. В настоящее время активно ведутся исследования процесса генерации однофотонных состояний в режиме спонтанного параметрического рассеяния [11-16] и спонтанного четырёхволнового смешения (СЧВС) [17-19] в нелинейных волноводах. Возможность объединения в одном чипе параметрического рассеяния и полупроводникового лазера накачки была недавно продемонстрирована в работе [20]. Более сложный вариант, подразумевающий объединение на одном чипе процессов генерации и детектирования однофотонных состояний, позволяет реализовать мультиплексирование нескольких источников [21]. Использование фотонных чипов даёт возможность, с одной стороны, добиться максимальной эффективности и детерминированности однофотонного источника с оповещением (heralded single-photon source), а с другой — создать эффективные источники многофотонных состояний. В целом, объединение на одном фотонном чипе генераторов и детекторов квантовых состояний света, а также линейных оптических элементов, является необходимым этапом создания масштабируемых оптических квантовых компьютеров [22, 23] и актуальным направлением развития современной квантовой оптики [24].
В настоящей работе теоретически рассматриваются кольцевые микрорезонаторы из нитрида кремния, который является одним из самых перспективных материалов для реализации квантовых оптических интегральных схем [25], и определяются условия, позволяющие достичь нулевой дисперсии групповой скорости на длинах волн, соответствующих оптоволоконным каналам связи. Использование кольцевых микрорезонаторов [26], обладающих высокой добротностью и малым объёмом моды, позволяет достичь высокой эффективности однофотонных источников на основе СЧВС и существенным образом снизить мощность накачки, а также реализовать генерацию узкополосных фотонов, соответствующих полосе поглощения устройств квантовой памяти. Нулевая дисперсия групповой скорости позволяет реализовать невырожденный режим СЧВС, который необходим для разделения испускаемых фотонов по длине волны в процессе условного приготовления однофотонных состояний, а также для повышения детерминированности источника за счёт мультиплексирования. Целью настоящей работы является определение параметров кольцевых микрорезонаторов, при которых, с одной стороны, реализуется невырожденное СЧВС, а с другой — достигается наименьшая высота волноводов, что облегчает задачу их изготовления.
В процессе достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• Расчет дисперсии групповой скорости для различных сечений волноводов.
• Расчет спектров пропускания кольцевого микрорезонатора.
• Расчет объединенной спектральной амплитуды.
• Анализ числа Шмидта при различной длительности и формы импульса
В ходе выполнения работы выполнена оптимизация параметров кольцевого микрорезонатора на основе нитрида кремния и оптимизация параметров импульсов накачки с целью генерации факторизованных бифотонных состояний в процессе невырожденного спонтанного четырёхволнового смешения.
Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:
• Показано, что для различных длин волн излучения накачки можно найти оптимальное соотношение высоты и ширины волновода, при котором достигается нулевая дисперсия групповой скорости, позволяющая наблюдать невырожденное спонтанное четырёхволновое смешение при минимальной высоте резонатора.
• Произведен численный расчет объединенной спектральной амплитуды и числа Шмидта бифотонного поля для импульсов накачки, имеющих различные длительности и формы. Показано, что при одинаковой длительности импульсы в виде возрастающей экспоненты обеспечивают наименьшую частотную корреляцию бифотонного поля, а уширение спектра накачки позволяет генерировать факторизованные бифотонные состояния.
На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, кольцевые микрорезонаторы из нитрида кремния позволяют генерировать факторизованные бифотонные состояния в процессе невырожденного спонтанного четырёхволнового смешения в области телекоммуникационных длин волн.
