Физики научились управлять временной формой оптических импульсов

В обычных световых импульсах напряженность электромагнитного поля меняется со временем по синусоиде, то есть по кривой в виде попеременно опускающихся и поднимающихся дуг. Ранее считалось, что иные формы поля невозможны, но физики предложили теоретический подход, который позволяет получать световые импульсы прямоугольной или треугольной формы. Согласно расчетам, такие изменения формы возникают при взаимодействии импульса с определенными средами с неравномерной плотностью. Треугольные и прямоугольные импульсы могут применяться в квантовых компьютерах для управления кубитами — элементами, отвечающими за хранение и обработку информации. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics Letters.

Ультракороткие — продолжительностью в фемтосекунды (в тысячи триллионов раз короче секунды) — оптические импульсы используются в лазерах и для сверхбыстрой передачи информации, например по оптоволокну. Кроме того, с их помощью можно управлять состоянием отдельных атомов и кубитов — элементов, лежащих в основе квантовых компьютеров. При этом чем более разнообразные — например, по форме — импульсы удастся получить, тем точнее и четче будет управление. Так, физикам уже удалось показать, как получить треугольные, трапециевидные, прямоугольные импульсы в терагерцовом и радиодиапазоне частот. Однако в терагерцовом диапазоне их длительность в сто раз больше, чем в случае оптического (видимого) диапазона. Импульсы таких форм в оптическом диапазоне считались невозможными, и до сих пор не существует надежных подходов, которые позволяли бы их получить. Такие короткие оптические импульсы могут быть полезны в квантовой физике для управления связанными электронами в атомах.

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) предложили метод получения оптических импульсов регулируемой формы. Авторы теоретически смоделировали прохождение двух последовательных сверхкоротких оптических импульсов через газообразный натрий. Изначальные импульсы имели форму дуги, которая соответствует половине периода обычной электромагнитной волны. Согласно модели, импульсы проходили в среде путь длиной пять микрометров (в 200 раз меньше миллиметра). При этом первый из них передавал возбуждение атомам натрия, запуская их колебания, а второй, напротив, останавливал их. Расчеты показали, что в результате такого взаимодействия отраженное от среды поле имело форму пары пиков, разнесенных во времени.

Затем авторы рассмотрели случаи, когда среда была неоднородна по плотности, то есть в одних ее частях концентрация частиц натрия была выше, чем в других. В первом случае изменение плотности можно было сравнить с трапецией: на границах плотность минимальна, по мере удаления от них она линейно возрастала, а в центре выходила на плато. Таким образом, сначала — при вхождении в среду — импульсы сталкивались с веществом низкой плотности, затем, в центре, — с высокой, и под конец снова с низкой. Согласно расчетам, такой вариант среды позволяет получить импульс строго прямоугольной формы.

Если же изменение плотности среды сделать похожим на трапецию не с ровными наклонными гранями, а с параболическими (что больше похоже на знак ℼ), то можно получить треугольные импульсы.

«Мы теоретически показали, что, меняя распределение плотности в среде, через которую проходит оптический импульс, можно управлять его формой. Далее предстоит экспериментально проверить наши выводы. В дальнейшем мы планируем исследовать, как оптические импульсы разной формы будут влиять на состояние квантовых систем, которые лежат в основе квантовых компьютеров», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.