Nová metoda vyvinutá olomouckými optiky může vést až ke kvantové mikroskopii

Metoda detekce kvantových stavů s mnoha fotony.
Autor: Ivo Straka
čtvrtek 22. únor 2018, 8:00 – Text: Martina Šaradínová

Významný posun ve zkoumání kvantových vlastností světla na novou úroveň poznání se podařil optikům z přírodovědecké fakulty. Vyvinuli unikátní metodu pro rozpoznávání speciálních vícefotonových kvantových stavů světla i ze zdrojů s omezenou účinností. Teoretickou metodu potvrdili experimentem, pro nějž si sami vyvinuli přesně kontrolovaný zdroj světla i detektor. Ve výzkumu, jehož výsledky nedávno publikoval časopis Nature NPJ: Quantum Information, hráli významnou roli PhD studenti Lukáš Lachman a Ivo Straka. Metoda má velký aplikační potenciál.

Zatímco klasické světlo vyzařované v přírodě má pouze vlnové vlastnosti, kvantová optika se na světlo dívá i jako na proud částic, které se nazývají fotony. Tyto částicové vlastnosti se zkoumají v laboratořích. "Fotony mají z kvantového hlediska jednu zajímavou vlastnost, která se nazývá kvantová neGaussovost, což znamená, že jeden foton nemůžeme připravit kvadratickými nelineárními procesy. Tato vlastnost již byla u jednoho fotonu dříve měřena v naší laboratoři a pak v mnoha dalších na světě. Nyní nás ale zajímalo, jestli ji lze sledovat i u světelných zdrojů generujících více fotonů. V článku jsme prokázali, že to možné je. Vyvinuli jsme na to teoretické nástroje, díky nimž lze tuto vlastnost spolehlivě zjistit, a navíc se podařilo realizovat experiment, jenž tuto vlastnost přímo prokázal, a to až u devíti fotonů," uvedl Lukáš Lachman, který se věnoval teoretické části výzkumu.

Neklasické stavy světla jsou důležité pro některé aplikace v kvantové metrologii či při kvantovém zpracování informace. Je ale obtížné je získat. Experimentálně pracovat s více fotony je pro optiky poměrně tvrdý oříšek. "Tyto metody jsou v raných fázích vývoje. Získat například kontrolovaně přesně pět fotonů je velká výzva a stejně tak složité je jejich současné měření. Proto jsme vyvinuli metodu, která to umožnila. Předpokládáme, že by mohla být zajímavá i pro zahraniční laboratoře, kde takové kvantové stavy generují jinými metodami, ale dosud neměli dostatečné nástroje pro sledování jejich kvality," objasnil experimentátor Ivo Straka.

Během experimentu vysílali optici ze zdroje světla kontrolovaný proud fotonů a pomocí detektorů snímali vlastnosti jednotlivých světelných částic. "Ani u jedné z těchto dvou stěžejních součástí experimentu jsme nemohli sáhnout po hotovém zařízení, ale museli je sami navrhnout a sestavit z dostupných komponentů pro účel tohoto měření. A to jak v případě zdroje, tak detektoru. Jejich vývoj je náročný sám o sobě," zdůraznil vedoucí projektu Radim Filip.

Podle něj je zjištění kvantové neGaussovosti důležité pro pokročilou diagnostiku nových nelineárních procesů se světlem v rozvíjejících se kvantových technologiích. "Tato diagnostika umožňuje jít za rámec výsledků optické spektroskopie materiálů. V tom vidíme budoucnost naší metody," doplnil Filip.

Velký aplikační potenciál metody potvrdil i vedoucí týmu laboratoře Miroslav Ježek. "Metoda umožní vznik kvantové mikroskopie, která bude schopna studovat nejen prostorovou strukturu, ale především typ procesu, který se v živém vzorku odehrává. A to vše až na úrovni jednotlivých molekul. Mohli bychom se tak dostat k funkcionalitě a rozlišení daleko za hranicemi stávajících mikroskopů. Tomuto směru se budeme dále věnovat," řekl Ježek.

Publikovaný článek je dalším z vrcholů výzkumu, který se na katedře provádí zhruba sedm let. Nutným předpokladem úspěchu je špičkové vybavení laboratoře. "Vývoj metody byl náročný na invenci a experiment na přesnost a kontrolovatelnost. Velmi složité bylo zpracování obrovského množství dat. Byl to dlouhý proces, stavěli jsme na předchozích výsledcích. Nyní jsme ve fázi, kdy jsou zpracovávané metodiky na hranici technických možností. Mnohdy je také potřeba překonat určitá omezení v našich hlavách a umět se podívat na věci jinak," uzavřel Filip.