Показано, что эффекты нелинейной оптики ультракоротких лазерных импульсов могут играть существенную роль в генерации фотонных пар посредством спонтанного четырехволнового смешения широкополосных пакетов фотонов в оптическом волноводе. В этом режиме генерации фотонных пар теоретические модели могут оставаться согласованными с условиями сохранения энергии и числа фотонов только при включении частотной зависимости нелинейной связи волн, приводящей к динамике формы волны ударного типа и сильной асимметрии в ЧВВ усилении боковых полос спектра. Показано, что резонансная передача энергии от солитона к дисперсионным волнам, сопровождаемая излучением черенковского типа, открывает канал, в результате которого фотоны ЧВВ уходят из стандартных сценариев генерации перепутанных фотонов.

Показано, что векторное четырехволновое взаимодействие сверхкоротких лазерных импульсов малой мощности в сильно нелинейном волокне с должным образом оптимизированным профилем дисперсии позволяет эффективно генерировать высококачественные пары фотонов со скоростями счета фотонных пар выше 10⁶ пар/(с*мВт) и является источником яркого сжатого вакуума. Была продемонстрирована группировка фотонов в режиме генерации фотонных пар с коэффициентами корреляции (0) более 1000 при мощности накачки p всего 0,1 мВт. Показано, что общая ширина перестройки существенно превосходит реализованный ранее источник фотонных пар и составляет более 200 ТГц при предельной ширине спектра квантового состояния более 100 ТГц.

В результате четырехволнового взаимодействия в микроструктурированных световодах, реализован яркий волоконный источник широкополосных квантовых состояний света в векторном режиме четырехволнового взаимодействия. При этом перекрещено поляризованная накачка и перекрещено поляризованные боковые полосы, связанные с компонентами тензора кубической восприимчивости, обеспечивает мощный ресурс квантовой запутанности, позволяющий создавать эффективные волоконно-оптические источники запутанных фотонных пар. Угловая зависимость скорости счета холостого канала указывает на заметный фон фотонов комбинационного рассеяния в холостом канале, а поляризационная степень свободы позволила подавить комбинационное рассеяние и реализовать лучшее отношение сигнала к фону по сравнению с предыдущими результатами

Продемонстрировано, что состоянием фотонных пар реализованного в этапе источника можно управлять, изменяя длину волны накачки и геометрию поляризации, создавая при этом как высокочистые низкоразмерные запутанные состояния, так и высокоэнтропийные запутанные состояния в пространстве очень высокой размерности. Продемонстрировано, что разложение Шмидта во временной области позволяет адекватно описать импульсные моды, содержащие двухфотонные состояния высокой чистоты, с точки зрения нелинейной динамики коротких импульсов классического поля, что раскрывает фундаментальное соотношение между квантовой и классической картинами генерации фотонных пар.

Разработан световодный протокол квантовой памяти (КП) на основе схемы восстановления спящего фотонного эха (ВСФЭ) и линейного эффекта Штарка в постоянном электрическом поле в кристалле Tm^{3 +}: Y₃Al₅O₁₂. Применение оптического резонатора в схеме ВСФЭ позволило увеличить эффективность КП с 13 % в открытом пространстве до 21% в резонаторе. Кроме этого, использование спектральных фильтрационных свойств резонатора позволило уменьшить уровень квантовых шумов в восстановленном сигнале примерно в 2 раза по сравнению с предыдущим результатом, полученным ранее при реализации данного протокола КП в открытом пространстве.

Развивая данный протокол мы предлагаем схему широкополосной квантовой памяти для хранения однофотонных оптических полей на системе с одиночных атомов, расположенных в системе высокодобротных резонаторов.  Расчёты показали что существует интервал времени когда все моды резонатора опустошаются и все сигнальное излучение сохраняется в системе атомов. Внутри этого интервала времени возникает возможность перевести атомные возбуждения на долгоживущие уровни атомов, используя дополнительные внешние контролирующие поля, что открывает возможность создания оптической квантовой памяти на конечном числе контролируемых атомов, помещенных в систему резонаторов. В качестве таких атомов, например, могут быть центры окраски в алмазе, которые обладают довольно большим временем жизни квантовой когерентности при комнатной температуре.

Проделаны работы по совершенствованию протокола квантовой памяти (КП) на основе схемы восстановления спящего фотонного эха (ВСФЭ). В разработанном протоколе мы также продемонстрировали возможность сохранения сигнального импульса, содержащего ~8 фотонов (в среднем) при отношении сигнал/шум ~1 в восстановленном сигнале. Мы показали, что схема многорезонаторной квантовой материнской платы позволяет добиться эффективной и программируемой передачи квантового состояния между пространственно распределенными подсистемами многочастичной квантовой системы. Управляемый перенос возможен для квантовой системы с равноотстоящими собственными частотами, созданными при специальном выборе констант связи и начальных атомных и резонаторных частот. Исследованная волноводная система может быть реализована на резонаторах с модами шепчущей галереи, связанных с различными квантовыми объектами, включая исследованные в проекте кристаллы с редкоземельными ионами, квантовыми точками или NV-центрами в алмазе. Последнее делает эту схему перпективной для работ при комнатных температурах. При этом когерентное управление оптической атомной когерентностью может осуществляться дополнительными лазерами, настроенными на другие собственные частоты микрорезонаторов. Предсказанная динамика расширяет алгоритмические возможности квантовых вычислений с помощью логических кубитов и кутритов. Оптимизация всех параметров в КМП с 3 резонаторами возможна для атомных параметров, охватывающих широкую полосу частот, которая обеспечивает высокую скорость работы КМП.

Был проведен анализ и получено общее выражение для линейной энтропии неортогонального мультиразмерного  состояния кутрита, обеспечивающее количественную меру для определения квантовой запутанности в классе неортогональных состояний кутритов  с n-мерной размерностью с любым n. Анализ этого выражения показывает замечательные свойства мультиразмерных  состояний кутритов, которые делают их уникальным ресурсом для квантовой информатики. В рамках нашего анализа были определены условия для повышенной и максимальной квантовой запутанности мультиразмерных кутритовых состояний. Из-за «доступа» к более высокой размерности  гильбертового пространства кутритов, квантовое перепутывание таких состояний обеспечивает  значительные преимущества по сравнению со стандартном случаем кубитов. Для генерации мультикутритных состояний было предложено использовать опто-механический резонатор Фабри-Перо с гармонически осциллирующим зеркалом и последовательность светоделителей.

Экспериментально исследовано влияние интенсивности и центральной длины волны инфракрасного излучения в широком спектральном диапазоне 800-1400 нм, покрывающим спектральные интервалы всех окон прозрачности, используемых при мультифотонной микроскопии живых объектов. Для этого наблюдалась мультифотонная люминесценция NV-центров, исследовалась зависимость ионизации и рекомбинации от условий возбуждения. Для описания наблюдаемых закономерностей была разработана математическая модель, которая показала высокое согласие с экспериментом. Анализ экспериментальных данных с помощью данной модели позволил найти зависимость эффективной частоты ионизационных переходов при многофотонном возбуждении от интенсивности возбуждающего поля, максимальное значение которой составило 15 МГц, что на несколько порядков выше измеренных ранее значений частот для случая однофотонного возбуждения. При мультифотонном возбуждении была показана спин-зависимая модуляция люминесцентного отклика обоих зарядовых состояний квантовых сенсоров на основе NV-центров в алмазе, открывающая возможности для высокочувствительной регистрации магнитного поля и температуры в присутствии интенсивного инфракрасного излучения в отсутствии эффектов нагрева.

Показано, что подавление фона при визуализации двухфотонной флуоресценции из центров окраски азот-вакансия (NV центров) в сильно флуоресцирующей среде может быть достигнуто полностью оптическими средствами посредством многофотонной модуляции зарядового состояния NV центров в смеси из отрицательно заряженных и нейтральных NV центров. Излучение из иттербиевого волоконного лазера с длительностью импульса 100 фс и центральной длиной волны 1060 нм идеально подходит для этого вида многофотонной микроскопии, обеспечивая, как показывают наши эксперименты, эффективное двухфотонное возбуждение как NV^—, так и NV⁰-зарядовых состояний, но удерживая нелинейность n-фотонной ионизации, необходимой для модуляции зарядового состояния NV⁻ ∕ NV⁰  минимальной, n=3.

Исследованы ограничения, накладываемые на чувствительность квантовых сенсоров температуры и магнитного поля при повышении мощности микро-волнового излучения и нагрева среды. Для разных концентраций NV центров в алмазе изучено вызванное нагревом снижение чувствительности, за счет гашения люминесцентного отклика. Показано что нагрев является физической причиной ограничения точности измерения квантового сенсора.

В полимерных волноводах реализовано оптическое управление задержкой фемтосекундных лазерных импульсов длительностью 400 фс, 200 фс и 60 фс со спектральной шириной 2.6 ТГц, 4.1 ТГц и 19 ТГц на промежутки времени 190 фс, 120 фс, 70 фс, соответственно. Результаты экспериментов хорошо описываются в рамках выбранной нами модели воздействия интенсивного импульса накачки на слабый сигнальный импульс через комбинационно-активную моду вещества. Теоретический анализ позволил понять, как ведет себя временной профиль сигнального сверхкороткого лазерного импульса различной спектральной ширины при ВКР усилении в комбинационно-активной среде. Результаты наших исследований позволяют говорить о возможности реализации различных устройств многоканальной интегральной оптики, таких как оптические буферные устройства для квантовой памяти или оптические многоканальные переключатели на основе «замедления» света в полимерных волноводах.

Усовершенствован протокол и на его основе экспериментально реализована стабильная долговременная квантовая связь для рекордного расстояния с использованием прототипа распределения квантовых ключей, обеспечивающего высокую помехозащищенность сетевых линий и узлов за счет фазового кодирования.

В ходе выполнения этапа 3 в полном объеме были решены все поставленные задачи.