Tým vědců kolem doc. Radima Filipa z Katedry optiky PřF UP si znovu posvítil na foton. Nejprve v prestižním americkém časopise Physical Review Letters [1] publikoval nové kritérium neklasických projevů slabých proudů fotonů, po šesti měsících pak toto kritérium v nové laboratoři kvantové optiky a informatiky experimentálně vyzkoušel.

Tým mladých experimentátorů vedený dr. Miroslavem Ježkem v rámci řešení diplomové práce sestavil zdroj jednotlivých fotonů, a toto kritérium využil k jeho analýze. Experimentální výsledek pak znovu úspěšně publikoval ve stejném časopise [2]. Jedná se o první výsledek z nové laboratoře na Katedře optiky PřF publikovaný v tomto prestižním časopise – podtrhuje její zaměření, těsné spojení s teoretickým výzkumem a propojení s výukou.

Miroslav Ježek a Ivo Straka v Laboratoři kvantové optiky a informatiky na Katedře optiky na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého
(zdroj: Fotobanka Univerzity Palackého, autor fotografie Imrich Veber)

„V tomto renomovaném časopise jsme zatím ještě nikdy neuspěli nejdříve s teorií, a pak i s experimentem. Stalo se tak díky efektivní spolupráci se všemi členy týmu, především s dr. Ladislavem Mištou a doc. Jaromírem Fiuráškem. Jeden foton je nejmenší kvantum světla. Je to stavební kámen řady moderních experimentů testujících paradoxní projevy šumu světla, ale také zdroj pro kvantovou kryptografii či kvantovou metrologii. Albert Einstein jeho zavedením započal diskusi o fascinujících neklasických projevech světa kvant. Díky jeho existenci byly objeveny lasery či polovodičové fotodetektory,“ vysvětlil doc. Radim Filip.

Kritérium definuje novou a experimentálně ověřitelnou hranici neklasického chování pro zdroje jednotlivých fotonů. Umožňuje jednoznačně určit, že daný zdroj má silnější neklasické vlastnosti, než jaké byly dosud zkoumány na základě předchozích kritérií. „Jsme schopni vyloučit, že zdroj jednotlivých fotonů produkuje kvantový šum, který je pouhou náhodnou směsí gaussovského šumu typického pro spojitý šum. Přitom postačuje stejné měření jako v případě předchozích kritérií. Tato diagnostika zdrojů jednotlivých fotonů nejen přináší základní poznatky o šumu světla, ale je také důležitá pro testování zdrojů pro stále se rozvíjející kvantovou kryptografii či kvantovou metrologii,“ dodal doc. Filip.

Vědci a studenti, povzbuzeni počátečním úspěchem, dál pokračují v teoretickém a experimentálním zkoumání jednotlivých fotonů. V rámci Mezinárodního centra pro informaci a neurčitost vedeného doc. Jaromírem Fiuráškem navazují kontakty s dalšími pracovišti a spolupracují na aplikacích tohoto kritéria na další zdroje jednotlivých fotonů.

Příprava a měření fotonu (zdroj: Fotobanka Univerzity Palackého, autor fotografie Imrich Veber)

Časopis:
Physical Review Letters je nejprestižnější časopis Americal Physical Society zaměřený na všechny oblasti fyziky. V tomto časopise vyšlo v roce 2011 celkem 68 publikací autorů z České republiky, což tvoří dvě procenta všech publikací.

Fyzikální popis:
Sestavit zdroj světla generující přesně jeden foton v daném časovém intervalu není jednoduché: zdroje někdy náhodně negenerují žádný foton, někdy jeden, ale někdy i více. Jak rozpoznat ze statistiky počtu fotonů, zda zdroj negeneruje něco triviálního? Tuto otázku diskutovaly již první generace kvantových optiků. Ti se pokusili potvrdit, že takový zdroj jednotlivých fotonů je odlišný od světla laseru, který je proudem nezávislých fotonů. Využili k tomu fakt, že jedna částice se nikdy nerozdělí na dvě; na rozdíl od vlny, pro kterou je toto typické. Experimenty v mnoha laboratořích světa potvrdily tyto vlastnosti pro řady zdrojů.

Jaká je další, dobře definovaná hranice neklasických projevů světla ze zdrojů jednotlivých fotonů?
Většina takových zdrojů je čerpaná silným laserem a využívá kvantové nelinearity některých optických jevů v látce. Kvantová nelinearita se projevuje na úrovni jednotlivých fotonů, na rozdíl od klasické nelinearity, která je vysvětlitelná i nelineárními projevy klasických vln. Amplitudy vln z laseru vytvářejí gaussovský šum, jenž je odrazem měnícího se počtu nezávislých částic. Výsledkem klasických nelineárních projevů pak může být šum v amplitudách vln, jehož statistické rozdělení již nemusí mít tvar gaussovské funkce. Stejně se může projevovat ale i kvantová nelinearita. Nové kritérium dokáže rozeznat skutečný kvantový šum, který není směsí spojitých gaussovských šumů a má silnější neklasický charakter, než může být obdržen z klasické nelinearity. Takový charakter kvantového šumu je nutný pro další aplikace, které nyní vědci z Katedry optiky PřF UP zkoumají.

 Elektronické bloky zpracovávají signál z detektorů jednotlivých foonů  (zdroj: Katedra optiky PřF UP)

Autor: Lenka Skácelíková, oddělení komunikace UP
Zdroj:  http://www.zurnal.upol.cz/zprava/clanek/na-foton-si-posvitili-vedci-z-katedry-optiky-prirodovedecke-fakulty-up

Reference:
[1] Radim Filip and Ladislav Mišta, Jr., Detecting Quantum States with a Positive Wigner Function beyond Mixtures of Gaussian States, Phys. Rev. Lett. 106, 200401 (2011).
[2] Miroslav Ježek, Ivo Straka, Michal Mičuda, Miloslav Dušek, Jaromír Fiurášek, and Radim Filip, Experimental Test of the Quantum Non-Gaussian Character of a Heralded Single-Photon State, Phys. Rev. Lett. 107, 213602 (2011).

Print Friendly, PDF & Email
Na foton si posvítili vědci z Katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci
Tagged on:                             

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *