TÉMATA PRACÍ / BACHELOR AND MASTER THESES


Experimentální kvantová fyzika s fotony
(Experimental quantum physics with photons)
Cílem práce je realizace nových optických kvantových logických procesorů a přenos kvantově provázaných stavů jednotlivých fotonů. Student se seznámí s experimentálními a teoretickými základy optického kvantového zpracování informace. Práce může pokračovat v navazujících stupních studia. Požadavky: aktivní přístup a zájem o fyziku. qcomputer

Nové detektory s rozlišením počtu fotonů
mppc(Photon number resolving detectors)
Detekce jednotlivých kvant světla, fotonů, představuje důležitou metodu moderní optiky. Schopnost rozlišit počet fotonů v příchozím optickém signálu patří mezi důležité parametry detektoru společně s kvantovou účinností, rychlostí odezvy a dynamickým rozsahem. Cílem práce je realizace a experimentální charakterizace jednofotonového detektoru s rozlišením počtu fotonů. Důraz bude kladen na určení efektivní mrtvé doby detektoru, jeho účinnosti a dynamického rozsahu. V tématu lze dále pokračovat například návrhem a realizací vlastní elektronické jednotky zpracovávající fotodetekční signál nebo aplikací vytvořeného detektoru pro charakterizaci neklasických stavů světla.

Zúžená optická vlákna
(Sub-wavelength optical fibers)
taperKónicky zúžená vlákna a vlákna se submikrometrovým průměrem mají mnoho aplikací v senzorice, optických komunikacích i základním výzkumu. Vysoká hustota optického výkonu v zúženém vlákně je zajímavá pro nelineární optiku a velký podíl evanescentního pole lze využít například k zachycení jednotlivých atomů a pro optické senzory. Práce je zaměřena na přípravu zúžených optických vláken, měření jejich parametrů a využití pro optické snímače. Student se v průběhu řešení práce seznámí s běžnými i speciálními optickými vlákny a základními technikami jejich manipulace a měření.

Mikrokontrolery pro řízení optoelektronických měření
(Optoelectronic automatization using microcontrollers)
automatizationJednočipové počítače představují snadný a flexibilní způsob automatizace komplikovanějších měřicích postupů. Jednotlivé prvky s různým rozhraním mohou být integrovány do jednoho systému, jehož funkcionalita je určena programem. Konkrétně v optických aplikacích je třeba ovládat zdroje světla, detektory, modulátory, polarizační kontrolery a další prvky. Cílem práce je seznámit se s mikrokontrolery Atmel (s využitím open-hardware platformy Arduino) a automatizovat vybrané systémy či měření. Předchozí zkušenosti s elektronikou jsou výhodou, ale nejsou nutné.

Digitální zpracování signálu pomocí programovatelných hradlových polí
(Digital signal processing from single photon detectors using FPGA)
fpga

DSP s využitím FPGA je poměrně rozšířenou technikou nabízející vysokou rychlost zpracování signálu a relativně snadnou konfigurovatelnost. Práce je zaměřena na použití FPGA pro zpracování signálů z rychlých fotodetektorů a fotonových čítačů. Student získá základní znalosti programování FPGA a jazyka HDL (včetně open-source Python varianty MyHDL).

 

Úzkopásmový jednofotonový zdroj
(Narrowband single photon source)
opocavitySvětlo je vhodným nosičem informace pro účely komunikace, ale využití optického signálu pro zpracování informace je komplikované, především z důvodu velké rychlosti šíření a slabé interakce. Řešením je kvantová paměť, kde je stav světla zapsán do stavu látky. Kvantové paměti mohou “zastavit” světlo či provést operace nad kvantovým stavem, které jinak nejsou dostupné. Jedním z problémů čekajících na vyřešení je nekompatibilita šířky spektra současných zdrojů a šířky atomových přechodů látky použité pro kvantovou paměť. Cílem práce je konstrukce zdroje korelovaných fotonů s úzkým spektrem vhodným pro budoucí rozhraní s kvantovou pamětí. Požadavky: aktivní přístup a zájem o fyziku.

Stabilizace optických interferometrů
(Stabilization of ptical interferometers)
Interferometrie je je velmi rozšířenou technikou v mnoha aplikacích, od mikroskopie po detekci gravitačních vln. Interference světla na úrovni jednotlivých fotonů také představuje základní metodu optických kvantových počítačů. Nestabilita interferenčního obrazce způsobená mechanickými a teplotními vlivy okolí patří mezi největší problémy, se kterými se všechny interferometrické aplikace potýkají. Cílem práce je realizace aktivní stabilizace interference se zaměřením na aplikace v kvantové komunikaci a informatice. Student se seznámí se základy optických interferometrů a souvisejících měření, metodami stabilizace a specifickými problémy interferometrie se slabými toky fotonů.

Vlastnosti laserového světla a jak je měřit
(Measurement of laser light properties)
Cílem práce je seznámit se se základními charakteristikami laserového záření a jejich měřením. Konkrétně bude zkoumán výkon, prostorový profil a šířka svazku, koherenční délka, spektrum a korelační funkce různých typů laserů (plynový, polovodičový, pevnolátkový čerpaný laserovou diodou, vláknový pulzní laser). Zajímá Vás, jak se liší světlo vyzařované svítivou diodou a laserem nebo jak se mění šum polovodičového laseru v závislosti na přiloženém elektrickém proudu? Bakalářská práce Vám umožní odpovědět na tyto otázky, které hrají kritickou roli ve všech optických experimentech, a propojit fyzikální teorii s reálnými systémy.

Ultra-broadband optical autocorrelator
(Měření ultra-krátkých optických pulzů)

Optical autocorrelation is commonly employed to measure duration of ultra-short laser pulses. The technique relies on detecting an interference of the signal by a detector with quadratic response. A real autocorrelator works only within a limited spectral bandwidth as both the optical setup and especially the quadratic detector employed are spectrally dependent. The main goal of the thesis is to extend this bandwidth and develop a cutting edge autocorrelation device operating from 0.4 to 1.6 um. The results will be applied to photon sources using multiple nonlinear light generation.

Prostorové zobrazení fotonu
(Single-photon imaging)
Využití jednotlivých fotonů pro přesná měření, kvantové zpracování informace a jako rozhraní s nanosystémy je stále častější a technologie jejich přípravy relativně rozvinutá. Na rozdíl od silných zdrojů, pro které je snadné určit rozdělení intenzity světla v prostoru například pomocí CCD kamery, lze polohu jediného fotonu zaznamenat jen velmi obtížně. Cílem práce je navrhnout a realizovat zařízení pro prostorové zobrazení slabých toků světla na úrovni jednotlivých fotonů. Možné aplikace: optimalizace zdrojů jednotlivých fotonů, ověření vlnově částicové duality (je foton částice nebo vlna?) nebo zobrazení biologických objektů. Požadavkem je základní znalost programování. Pokud si chcete vyfotografovat foton, je toto téma přesně pro Vás.

Optický nelineární detektor
(Non-linear photo detector)
Vyrobit detektor světla, který má vysoký odstup signálu od šumu, velký dynamický rozsah a reaguje lineárně na dopadající záření není snadné. Vynalézt a sestavit kvalitní detektor, jehož odezva je nelineární dle předepsané závislosti (například kvadratická) pak představuje výzvu a současně cíl této práce. Jaký vybrat polovodičový materiál, jaký přechod, jak odfiltrovat šum elektrického zdroje, jak připojit a optimalizovat zesilovací obvod, to vše čeká na zájemce, který rád řeší problémy a má elementární znalosti elektroniky. Možné aplikace: měření ultra‑krátkých optických pulzů (ps a fs pulzy), testování UV detektorů tzv. slepých pro viditelné světlo nebo využití netradičních elektronických prvků pro detekci světla.

Komprese obrazu pro analýzu optických polí
(Spatial mode decomposition and image compression)
Je optický svazek na výstupu laseru nebo optického vlnovodu či vlákna jednomodový nebo je tvořen součtem různých modů? Lze jednotlivé optické mody popsat elementárními funkcemi a jaký je minimální počet těchto modových funkcí potřebných pro věrohodný popis celého optického svazku? Práce by měla zodpovědět tyto a další otázky a dát do souvislosti některé techniky komprese obrazu s metodami optimálního měření a rekonstrukce optických polí. Téma je především teoreticky orientováno, zájemce by měl mít přehled o lineární algebře a základní programátorské dovednosti.

Aktivní stabilizace teploty
(Active temperature stabilization for optical devices)
Kontrola a stabilizace fyzikálních veličin jako poloha nebo teplota patří mezi standardní postupy v technické praxi. Stejně tak pro přesná optická měření je třeba udržovat konstantní teplotu zdroje, detektoru nebo dokonce celého měřícího uspořádaní. Zvláště lasery a interferometrická zařízení založená na optických vláknech vykazují velké fluktuace v případě měnících se teplotních podmínek. Současně se ale jedná o objekty s hmotností až několik kilogramů. Cílem práce je návrh teplotní stabilizace, její experimentální realizace a ověření funkčnosti pro některé zajímavé optické (a hmotné) systémy. Baví Vás elektronika, konstrukce a experimentování? Pak je toto téma právě pro Vás.

Překonání difrakčního limitu zobrazení
(Exploring the resolution limits of optical imaging)
Nejmenší vzdálenost mezi dvěma detaily předmětu, které ještě dokážeme opticky rozlišit, není určena technickou dokonalostí použité čočky či mikroskopu, ale fyzikálními principy. Konkrétně difrakce použitého záření prakticky znemožňuje zobrazení s rozlišením menším než polovina vlnové délky a to pouze v případě dostatečné numerické apertury (Rayleighova mez). Překonáváte rádi omezení? Cílem experimentálně orientované práce je zvýšení prostorového rozlišení reálného zobrazovacího systému a možná i překonání Rayleighova limitu.

Realizace detektoru fotonů s využitím několika lavinových diod
(Single-photon detection using avalanche photodiode multiplexing)

Detekce jednotlivých kvant světla, fotonů, představuje důležitou metodu moderní optiky. Sensitivita, kvantová účinnost, rychlost odezvy a dynamický rozsah představují jen některé důležité parametry detektoru fotonů. Cílem práce je realizace a experimentální charakterizace jednofotonového detektoru kombinujícího několik lavinových diod. Důraz bude kladen na určení efektivní mrtvé doby detektoru, jeho účinnosti a dynamického rozsahu. Téma lze doplnit podle zájmu například návrhem a realizací vlastní elektronické jednotky zpracovávající signál, teoretickým modelem saturačních efektů v detektoru nebo aplikací vytvořeného zařízení pro detekci neklasických stavů světla.

Zobrazení přes silně rozptylující biologické vzorky
(Imaging through dense scattering biological tissues)

Základní motivací práce je in vivo diagnostika struktur v biologických a medicínských vzorcích silně rozptylujících světlo, například časné odhalení nádorů prsu. Po optické stránce jde o náročný úkol zobrazení či vizualizace objektu obklopeného nehomogenním rozptylujícím prostředím. Dokážeme vidět do živého organismu? Hlavní výzvou práce je překonání stávající rozlišovací meze zhruba 5 mm při zobrazování skrz 5 cm měkké tkáně.

Polarization insensitive mirror and beam splitter
(Polarizačně necitlivé zrcadlo a dělič svazku)

customprismPolarization of light is an essential part of optical communications, precise measurements and light-matter interactions. It is used to encode a quantum bit in various quantum information protocols and quantum optical processors. Information carried by polarization state of light is distorted by unwanted perturbations. These are mainly caused by polarization-dependent parameters of optical components used to guide the light beam. The goal of the thesis is to design a polarization insensitive mirror and perform its complete characterization. Different approaches and components can be tested and compared. Further, an analysis towards a polarization insensitive beam splitter should be carried out including the feasibility study on the splitter manufacturing.

Jak přesně můžeme měřit fázi světla?
(Optical phase super-resolution vs super-sensitivity)

Přesnost určení změny relativní optické fáze je u klasických přístupů limitovaná v obou klíčových parametrech: citlivost měření je omezena standardní kvantovou limitou a maximální rozlišení je dáno Rayleighovou mezí. S využitím entanglovaných stavů světla je možné oba parametry vylepšit, avšak pouze ve velmi omezené oblasti optických výkonů. Dalším problémem je extrémní citlivost na ztráty v měřeném vzorku. Cílem diplomové práce je vytvořit alternativní metodu super-citlivého a super-rozlišujícího měření fáze škálovatelnou pro vyšší výkony a málo závislou na ztrátách. Předpokladem je základní znalost kvantové teorie a zájem o problematiku.

Data based quantum state modeling
(Realistický popis experimentálně připravených neklasických stavů světla)

Quantum homodyne tomography represents a standard method for reconstruction of quantum state of light from measured data. It can reveal subtle features hidden in quantum noise, distinguish between classical and non-classical states and help us to generate highly non‑classical ones by optimizing the parameters of the preparation device. Unfortunately, common numerical techniques used for quantum tomography require significant computational resources and they are inconvenient for the optimization tasks where we prefer an instant response. The goal of the thesis is to develop a model-based homodyne data fitting procedure efficient enough to be used for more less on-line preview of the measured light state. Further, the procedure should be applied to real data and compared with the rigorous quantum tomography approach. Prerequisites: basic quantum physics, basic programming skills.

Linearita detekce světla
(Photodetection linearity)

Linearita detekce světla je důležitou podmínkou v řadě metrologických aplikací ale i při testování fundamentálních fyzikálních zákonů. Od lineárního optického detektoru požadujeme, aby zvýšení dopadajícího optického výkonu vedlo k přímo úměrnému zvýšení elektrického proudu či napětí na výstupu. Šum i saturace způsobují odchylky od linearity, které jsou u běžných detektorů v řádu \(10^{-2}\) až \(10^{-4}\). Je možné vylepšit lineární chování ještě dále za hranici \(10^{-4}\)? Které fyzikální jevy a které parametry detektoru je třeba sledovat a jak se projeví ve výsledné linearitě? Cílem práce je navrhnout a sestavit zkušební detektory světla a otestovat jejich lineární chování.

Hyper-kódování kvantových bitů a jeho využití pro kvantové počítače
(Qubit hyper-encoding for quantum computers)

hyperencodingKódování informace do jednotlivých kvant světla, fotonů, zefektivňuje některé komunikační a výpočetní operace a umožňuje testovat základní principy budoucích kvantových počítačů. Další cestou zvýšení hustoty uložení a efektivity zpracování informace je hyper-kódování, tedy přenos více kvantových bitů jediným fotonem. Cílem práce je příprava hyper-kódovaných kvantových bitů a realizace kvantových logických hradel využívajících toto kódování. V průběhu práce se student seznámí s teoretickými a experimentálními aspekty kódování kvantových bitů a základními technikami kvantového zpracování informace. Téma může být dle zájmu studenta a typu práce (bc/mgr) upraveno či zaměřeno více na související optickou technologii, například na návrh specializovaných součástek pro efektivní kódování.

Řízení polovodičových laserových diod
(Laser diode driving and stabilization)blue_laser_diode

Optický výkon a spektrum laserové diody závisí citlivě na čerpacím proudu, teplotě a dalších podmínkách. Cílem práce je prozkoumat tuto závislost a zkonstruovat proudovou a teplotní stabilizaci diody. Téma může být dle zájmu studenta a typu práce (bc/mgr) zaměřeno na návrh a testování elektroniky, přesné měření optických parametrů nebo nastavení zpětnovazební smyčky pro optimální stabilitu laserové diody v daném frekvenčním pásmu.

Časová spektroskopie světla na úrovni jednotlivých fotonů
(Time correlated single photon counting)

time_resolutionMěření času příchodu jednotlivých fotonů z testovaného vzorku představuje důležitý zdroj informace o probíhajících fyzikálních procesech. Může se jednat o časové rozlišení fluorescence v biologickém preparátu, charakterizaci zdroje jednotlivých fotonů, analýzu kvantového logického hradla nebo studium chování kvantových teček. Výsledky měření jsou však ovlivněny také vlastnostmi použitých detektorů a v neposlední řadě použitým převodníkem časových údajů do digitální podoby. Cílem práce je testování různých způsobů získání časové informace o detekci jednotlivých fotonů, vlastností detektorů a detekční elektroniky. Student se bude věnovat časovému rozlišení jednotlivých metod, chování v oblasti blízko saturace detektorů a dalším souvisejícím otázkám. Součástí práce bude softwarové zpracování dat z převodníku založeném na FPGA s rozlišením 10^-10 s a jeho kalibrace.

Frekvenční stabilizace laserové diodygreen_laser_diode
(Laser diode with external grating cavity)

Cílem práce je zúžení spektra a změna modové struktury polovodičové laserové diody s využitím difrakční mřížky v roli externího rezonátoru. Součástí práce bude charakterizace spektrálních vlastností a stability výsledného laserového systému.

Měření kvantové statistiky jednotlivých fotonů
(Measuring quantum statistical properties of photons)

statisticsStatistické vlastnosti světla na úrovni jednotlivých fotonů jsou nerozlučně spojeny s kvantovým zpracováním informace a hrají klíčovou roli v různých odvětvích kvantové optiky. Existují zdroje světla, jejichž chování nelze popsat jako klasické elektromagnetické vlnění. Jak kvalitně ale toto chování můžeme měřit, zcela závisí na mazanosti uspořádání supercitlivých detektorů schopných rozpoznávat jednotlivé fotony a na tom, jak jsme schopni zpracovat jejich elektronický signál. Předmětem práce bude realizovat a porovnat různé metody měření fotonové statistiky. Jak lze účinně zkombinovat více detektorů a můžeme poznat plynovou výbojku od laseru? Jak se vypořádat s omezenou účinností, šumem, saturací, lze je nějak obejít? Budete svědky, jak se identické fotony shlukují do párů. Jako prostředky si vyzkoušíte logické zpracování pulzů NIM, použití TAC/SCA převodníků nebo možnosti časových záznamů detekcí s přesností na zlomek nanosekundy. Hledáme studenta, kterého zajímá kvantová fyzika v kontextu současných experimentálních možností a nebojí se matematiky.
Prerekvizity: zvědavost, zvládnutí mat. a fyz. látky na úrovni vašeho ročníku.
Nabízíme: změnu otázek “Ale proč?” na otázky “Jak?” a “Proč to zatraceně…?!”

Využití kapalných krystalů pro kvantové počítačeliquid_crystal_2
(Qubit state control and filtering using liquid crystals)

Kvantové logické procesory realizované v naší laboratoři využívají nejčastěji kódování informace do polarizace a dráhy fotonu. Tento typ manipulace s informací vyžaduje po technické stránce současnou kontrolu polarizace několika optických svazků. Cílem práce je otestovat možnosti využití kapalných krystalů pro rychlé adresování polarizačního stavu prostorově blízkých optických svazků.

Print Friendly, PDF & Email

Leave a Reply

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