Týmu vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého se podařilo zkonstruovat speciální detektor. Jako první na světě dokáže měřit důležité kvantové vlastnosti stavů světla, aniž by je při měření narušil a zničil.
Výsledky tohoto unikátního experimentu slibují nové možnosti při odhalování kvantových stavů fotonů i jiných kvantových objektů. „To otevírá obrovský prostor pro další experimentální vývoj, jak na katedře optiky, tak ve světě,“ dodal olomoucký výzkumník Radim Filip.
Práci týmu expertů z katedry optiky už zveřejnil prestižní vědecký časopis npj Quantum Information. Olomoučtí odborníci se tak zařadili po bok kolegů z Griffith University v australském Brisbane a Yale University ve Spojených státech, kteří provádí experimenty podobného zaměření.
- Kvantová mechanika popisuje svět atomů a fotonů. Často se o ní říká, že je teorií měření. Atomy a fotony jsou totiž měřením vždy nějak ovlivněny. Zisk určité informace o atomech či fotonech je vždy vyvážen ztrátou jiné. Kvantová fyzika nejprve přišla s měřením energie atomů či fotonů.
- Toto měření nemění energetické stavy, ale na druhou stranu ničí informaci o jejich kvantové superpozici – v kvantové superpozici se objekt, například atom nebo elektron, nenachází v žádném pevném bodě, ale je jakoby rozptýlený v celém prostoru. Tato skutečnost je výchozím bodem pro operace v kvantové kryptografii nebo při konstrukci tzv. kvantových počítačů. V klasickém makrosvětě s kvantovou superpozicí nemáme žádnou zkušenost, určitou představu o superpozici však dává například tzv. Schrödingerova kočka, viz níže.
- Detektor zkonstruovaný týmem vědců z katedry optiky nyní potvrdil teoretický koncept, který v roce 2002 publikoval Radim Filip ještě jako postgraduální student. Jím navržená metoda umožňovala přímo detekovat nikoliv energii, ale důležité kvantové charakteristiky stavů fotonů a fononů bez jejich porušení.
Sestavit detektor nebylo snadné
Konstrukce detektoru, který používají vědci při výzkumu, byla velmi náročná. Odborníci při jeho stavbě vycházeli také ze skutečností, které vyšly najevo až na počátku 21. století.
Díky složitému přístroji je nyní možné mimo jiné sledovat a rozpoznat velmi malé změny vzdáleností s přesností na desítky nanometrů, což odpovídá zhruba tisícině tloušťky vlasu. Podařilo se také s velmi dobrou mírou pravděpodobnosti určit polohu fotonů.
„Také jsme museli zajistit, aby se dva fotony v experimentu potkaly na přesně určeném místě a ve stejný okamžik. Tím rozumíme časový interval trvající jednu tisícinu miliardtiny sekundy,“ popsal člen vědeckého týmu Michal Mičuda náročný experiment, na jehož konci byl unikátní přístroj.
- Myšlenkový experiment známý zvláště mezi teoretickými fyziky. Figuruje v něm kočka v neprodyšně uzavřené krabici s nádobkou s jedovatým plynem, v níž je detektor, který hlídá rozpad radioaktivního prvku, který se může do hodiny rozpadnout s 50% pravděpodobností. Pokud se tak stane, detektor vyšle signál k otevření nádobky a zvíře se otráví. Dokud však pozorovatel krabici neotevře, není pro něj zřejmé, zda kočka žije, anebo je mrtvá – při zjednodušeném popisu kvantové mechaniky pak kočka (i samotný rozpadlý/nerozpadlý nuklid) existuje v obou stavech zároveň a je tedy v takzvané superpozici stavů.
Data museli zpracovat do podoby vhodné pro mozek
Samotné měření pak vyžadovalo velkou míru automatizace experimentální sestavy. „Pro ověření správné činnosti detektoru bylo potřeba provádět desítky tisíc měření. Automatizace si vyžádala vývoj vlastních počítačově řízených montáží pro optické elementy,“ upozornil autor publikace Robert Stárek.
Podle Stárka ale na další problém experti narazili tehdy, když se museli zorientovat v získaných datech a interpretovat je do formy pochopitelné lidským mozkem.
Detektor kvantových vlastností světla, který používají olomoučtí vědci, byl již v roce 2002 teoreticky zobecněn týmem kolem profesora Pavla Horodeckého, objevitele prvních kritérií kvantových korelací, a zakladatele kvantové kryptografie profesora Artura Ekerta. Nyní již existuje celá řada aplikací této metodiky od fundamentálních testů po aplikace v kvantové sensorice, přípravu kvantových stavů, či kvantové počítání.
