Týmu vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého se podařilo zkonstruovat světový unikát - speciální detektor, který jako první dokáže měřit důležité kvantové vlastnosti světla . Výsledky tohoto experimentu otevírají nové možnosti detekce kvantových stavů fotonů i jiných kvantových objektů. Vědecká práce týmu expertů z katedry optiky prošla náročným recenzním řízením v prestižním časopise npj Quantum Information a olomoučtí vědci se tak zařadili po bok kolegů z Griffith University v australském Brisbane a Yale University ve Spojených státech, kteří provádí experimenty podobného zaměření.

Detektor zachycuje současně prostorové a polarizační vlastnosti jednotlivých fotonů. Složitý přístroj využívá sedm vzájemně propojených interferometrů, s jejichž pomocí lze sledovat a rozpoznat velmi malé změny vzdáleností s přesností na desítky nanometrů, což odpovídá zhruba tisícině tloušťky vlasu. "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.

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. Další velkou výzvou byla orientace v komplexní struktuře získaných dat a jejich zpracování do formy čitelné člověkem," upozornil první autor publikace Robert Stárek.

Od teorie k revoluční detekci

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, která je potřebná pro aplikace jako kvantová kryptografie nebo kvantové počítače. Za experimentální vývoj vedoucí k možnosti měření energie mikrovlnného záření dostal profesor Serge Haroche Nobelovu cenu v roce 2012. Detektor zkonstruovaný týmem vědců z katedry optiky nyní potvrdil teoretický koncept, který v roce 2002 publikoval profesor Radim Filip ještě jako Ph.D. student. Jím navržená metoda umožňovala přímo detekovat nikoliv energii, ale důležité kvantové charakteristiky stavů fotonů a fononů bez jejich porušení. "Bohužel jinak velmi úspěšné experimenty profesora Haroche se postupně ukázaly pro tento účel jako ne zcela vhodné. Museli jsme tedy na první test této metodiky čekat dlouhých patnáct let. Po prvních krocích australského týmu v Brisbane a začátku experimentálních testů na Yale University se supravodivými elektrickými obvody jsme věřili, že stále stihneme být první. A vyšlo to. Vidíme krásně, jak tato revoluční detekce pracuje v laboratoři, což je klíčové pro další vývoj podobných metod," uvedl profesor Filip.   

Měřené nelineární vlastnosti umožňují charakterizovat i libovolně složité stavy překvapivě třeba na makroskopické úrovni. Metoda neprovádí měření stavů světla na jednotlivých kopiích, ale využívá kolektivních vlastností jejich párů. To ale není možné bez kvalitní technologie a experimentálních dovedností.  

"Klíčem k úspěšné a efektivní realizaci kvantového detektoru bylo využití hybridního kódování kvantových bitů do polarizačních i prostorových stupňů volnosti jednotlivých fotonů. Tento postup umožnil provést požadovaná kvantová měření s pomocí inherentně stabilního vícecestného optického interferometrického uspořádání dovolujícího komplikovanou interferenci drah a polarizace dvojic fotonů. Výsledný optický kvantový procesor představuje komplexní kvantový logický obvod kombinující tříqubitové kvantové hradlo a několik dvouqubitových hradel," podotkl profesor Jaromír Fiurášek.

Tento detektor byl již v roce 2002 teoreticky zobecněn na složitější nelineární vlastnosti kvantových stavů týmem kolem profesora Pavla Horodeckého, objevitele prvních kritérií kvantových korelací, a zakladatele kvantové kryptografie profesora Artura Ekerta. Nyní existuje celá řada aplikací této metodiky od fundamentálních testů po aplikace v kvantové sensorice, přípravu kvantových stavů či kvantové počítání. "To otevírá obrovský prostor pro další experimentální vývoj jak na katedře optiky, tak ve světě," dodal Filip.