Kvantová optika: Hloubkový pohled na manipulaci s jednotlivými fotony

Kvantová optika, obor propojující kvantovou mechaniku a optiku, se zabývá kvantovou povahou světla a jeho interakcí s hmotou. V srdci této fascinující disciplíny leží jediný foton – základní kvantum elektromagnetického záření. Pochopení a manipulace s těmito jednotlivými fotony otevírá dveře k revolučním technologiím, jako je kvantové počítání, bezpečná kvantová komunikace a ultra-citlivé kvantové senzory. Tento komplexní průvodce zkoumá principy, techniky a budoucí aplikace manipulace s jednotlivými fotony a poskytuje cenný zdroj pro výzkumníky, studenty a každého, kdo se zajímá o špičku kvantové technologie.

Co je kvantová optika?

Kvantová optika zkoumá jevy, u nichž se kvantové vlastnosti světla stávají významnými. Na rozdíl od klasické optiky, která považuje světlo za spojitou vlnu, kvantová optika uznává jeho diskrétní, částicovou povahu. Tento pohled je klíčový při práci s velmi slabými světelnými poli, až na úroveň jednotlivých fotonů.

Klíčové koncepty v kvantové optice

• Kvantování světla: Světlo existuje v diskrétních balíčcích energie nazývaných fotony. Energie fotonu je přímo úměrná jeho frekvenci (E = hf, kde h je Planckova konstanta).
• Vlnově-částicová dualita: Fotony vykazují jak vlnové, tak částicové chování, což je základní kámen kvantové mechaniky.
• Kvantová superpozice: Foton může existovat v superpozici několika stavů současně (např. být v několika polarizačních stavech najednou).
• Kvantové provázání: Dva nebo více fotonů může být propojeno takovým způsobem, že sdílejí stejný osud bez ohledu na to, jak daleko od sebe jsou. To je klíčové pro kvantovou komunikaci.
• Kvantová interference: Fotony mohou interferovat samy se sebou i navzájem, což vede k interferenčním obrazcům, které se zásadně liší od těch pozorovaných v klasické optice.

Význam jednotlivých fotonů

Jednotlivé fotony jsou stavebními kameny kvantové informace a hrají klíčovou roli v různých kvantových technologiích:

• Kvantové počítání: Jednotlivé fotony mohou představovat qubity (kvantové bity), základní jednotky kvantového výpočtu. Jejich vlastnosti superpozice a provázání umožňují kvantovým algoritmům provádět výpočty, které jsou pro klasické počítače nemožné.
• Kvantová kryptografie: Jednotlivé fotony se používají k bezpečnému přenosu šifrovaných informací s využitím zákonů kvantové fyziky k zaručení důvěrnosti. Pokusy o odposlech nevyhnutelně naruší kvantový stav fotonů, což upozorní odesílatele i příjemce.
• Kvantové senzory: Jednotlivé fotony lze použít k sestrojení neuvěřitelně citlivých senzorů pro detekci slabých signálů, jako jsou gravitační vlny nebo stopová množství chemikálií.
• Kvantové zobrazování: Zobrazovací techniky s jednotlivými fotony umožňují zobrazování s vysokým rozlišením při minimální expozici světlu, což je zvláště užitečné pro biologické vzorky.

Generování jednotlivých fotonů

Vytváření spolehlivých zdrojů jednotlivých fotonů je hlavní výzvou v kvantové optice. Bylo vyvinuto několik metod, z nichž každá má své výhody a nevýhody:

Spontánní parametrická sestupná konverze (SPDC)

SPDC je nejběžnější technika pro generování provázaných fotonových párů. Nelineární krystal je čerpán laserovým paprskem a občas se čerpací foton rozdělí na dva fotony s nižší energií, známé jako signální a nečinný (idler) foton. Tyto fotony jsou provázány v různých vlastnostech, jako je polarizace nebo hybnost. V závislosti na požadovaných vlastnostech generovaných fotonů se používají různé typy krystalů (např. beta-boritan barnatý – BBO, niobičnan lithný – LiNbO3) a vlnové délky čerpacího laseru.

Příklad: Mnoho laboratoří po celém světě používá SPDC s modrým laserem čerpajícím BBO krystal k vytvoření provázaných fotonových párů v červeném nebo infračerveném spektru. Například výzkumníci v Singapuru použili SPDC k vytvoření vysoce provázaných fotonových párů pro experimenty s kvantovou teleportací.

Kvantové tečky

Kvantové tečky jsou polovodičové nanokrystaly, které mohou emitovat jednotlivé fotony, když jsou excitovány laserovým pulsem. Jejich malá velikost omezuje elektrony a díry, což vede k diskrétním energetickým hladinám. Když elektron přejde mezi těmito hladinami, emituje jediný foton. Kvantové tečky nabízejí potenciál pro generování jednotlivých fotonů na vyžádání.

Příklad: Vědci v Evropě vyvíjejí zdroje jednotlivých fotonů na bázi kvantových teček pro integraci do kvantových komunikačních sítí. Nabízejí vysoký jas a lze je integrovat do polovodičových zařízení.

Dusíkovo-vakantní (NV) centra v diamantu

NV centra jsou bodové defekty v diamantové mřížce, kde atom dusíku nahrazuje atom uhlíku vedle vakance. Tyto defekty vykazují fluorescenci, když jsou excitovány laserem. Emitované světlo lze filtrovat k izolaci jednotlivých fotonů. NV centra jsou slibná pro kvantové senzory a zpracování kvantových informací díky svým dlouhým koherenčním časům a kompatibilitě s okolními podmínkami.

Příklad: Výzkumné skupiny v Austrálii zkoumají NV centra v diamantu pro konstrukci vysoce citlivých senzorů magnetického pole. Spinový stav NV centra je citlivý na magnetická pole, což umožňuje přesná měření v nanoměřítku.

Atomární soubory

Řízená excitace atomárních souborů může vést k emisi jednotlivých fotonů. Techniky jako elektromagneticky indukovaná průhlednost (EIT) lze použít k řízení interakce světla s atomy a generování jednotlivých fotonů na vyžádání. V těchto experimentech se často používají alkalické atomy (např. rubidium, cesium).

Příklad: Výzkumníci v Kanadě demonstrovali zdroje jednotlivých fotonů založené na studených atomárních souborech. Tyto zdroje nabízejí vysokou čistotu a lze je použít pro kvantovou distribuci klíčů.

Manipulace s jednotlivými fotony

Jakmile jsou jednotlivé fotony vygenerovány, je třeba je přesně ovládat a manipulovat s nimi, aby mohly provádět různé kvantové operace. To zahrnuje řízení jejich polarizace, dráhy a času příletu.

Řízení polarizace

Polarizace fotonu popisuje směr oscilace jeho elektrického pole. Polarizační děliče svazku (PBS) jsou optické komponenty, které propouštějí fotony s jednou polarizací a odrážejí fotony s ortogonální polarizací. Vlnové destičky (např. půlvlnné destičky, čtvrtvlnné destičky) se používají k otáčení polarizace fotonů.

Příklad: Představte si, že potřebujete připravit jediný foton ve specifické superpozici horizontální a vertikální polarizace pro protokol kvantové distribuce klíčů. Pomocí kombinace půlvlnných a čtvrtvlnných destiček mohou vědci přesně nastavit polarizaci fotonu, což umožňuje bezpečný přenos kvantového klíče.

Řízení dráhy

Děliče svazku (BS) jsou částečně odrazivá zrcadla, která rozdělují příchozí fotonový paprsek na dvě dráhy. V kvantové sféře může jediný foton existovat v superpozici, kdy se nachází na obou drahách současně. Zrcadla a hranoly se používají k nasměrování fotonů po požadovaných drahách.

Příklad: Slavný Mach-Zehnderův interferometr používá dva děliče svazku a dvě zrcadla k vytvoření interference mezi dvěma drahami. Jediný foton vyslaný do interferometru se rozdělí do superpozice současného pohybu po obou drahách a interference na výstupu závisí na rozdílu délek drah. Jedná se o zásadní demonstraci kvantové superpozice a interference.

Časové řízení

Přesné řízení času příletu jednotlivých fotonů je klíčové pro mnoho kvantových aplikací. Elektro-optické modulátory (EOM) lze použít k rychlému přepínání polarizace fotonu, což umožňuje časově hradlovanou detekci nebo manipulaci s časovým tvarem fotonu.

Příklad: V kvantovém počítání mohou fotony potřebovat dorazit k detektoru v přesně stanovený čas, aby provedly operaci kvantového hradla. EOM lze použít k rychlému přepnutí polarizace fotonu, čímž efektivně funguje jako rychlý optický spínač pro řízení načasování jeho detekce.

Vláknová optika a integrovaná fotonika

Vláknová optika poskytuje pohodlný způsob vedení a přenosu jednotlivých fotonů na velké vzdálenosti. Integrovaná fotonika zahrnuje výrobu optických komponent na čipu, což umožňuje vytváření složitých kvantových obvodů. Integrovaná fotonika nabízí výhody kompaktnosti, stability a škálovatelnosti.

Příklad: Týmy v Japonsku vyvíjejí integrované fotonické obvody pro kvantovou distribuci klíčů. Tyto obvody integrují zdroje jednotlivých fotonů, detektory a optické komponenty na jediném čipu, což činí kvantové komunikační systémy kompaktnějšími a praktičtějšími.

Detekce jednotlivých fotonů

Detekce jednotlivých fotonů je dalším kritickým aspektem kvantové optiky. Tradiční fotodetektory nejsou dostatečně citlivé na detekci jednotlivých fotonů. K dosažení tohoto cíle byly vyvinuty specializované detektory:

Jednofotonové lavinové diody (SPAD)

SPAD jsou polovodičové diody, které jsou předepnuty nad své průrazné napětí. Když jediný foton dopadne na SPAD, spustí lavinu elektronů, čímž vytvoří velký proudový impuls, který lze snadno detekovat. SPAD nabízejí vysokou citlivost a dobré časové rozlišení.

Senzory na přechodové hraně (TES)

TES jsou supravodivé detektory, které pracují při extrémně nízkých teplotách (typicky pod 1 Kelvin). Když je foton pohlcen TES, zahřeje detektor a změní jeho odpor. Změna odporu je měřena s vysokou přesností, což umožňuje detekci jednotlivých fotonů. TES nabízejí vynikající energetické rozlišení.

Supravodivé nanodrátkové jednofotonové detektory (SNSPD)

SNSPD se skládají z tenkého supravodivého nanodrátku, který je ochlazen na kryogenní teploty. Když foton zasáhne nanodrátek, lokálně poruší supravodivost a vytvoří napěťový impuls, který lze detekovat. SNSPD nabízejí vysokou účinnost a rychlou odezvu.

Příklad: Různé výzkumné týmy po celém světě používají SNSPD spojené s jednovidovými optickými vlákny k efektivní detekci jednotlivých fotonů pro experimenty s kvantovou komunikací a kvantovou distribucí klíčů. SNSPD mohou pracovat na telekomunikačních vlnových délkách, což je činí vhodnými pro kvantovou komunikaci na velké vzdálenosti.

Aplikace manipulace s jednotlivými fotony

Schopnost generovat, manipulovat a detekovat jednotlivé fotony otevřela širokou škálu vzrušujících aplikací:

Kvantové počítání

Fotonické qubity nabízejí několik výhod pro kvantové počítání, včetně dlouhých koherenčních časů a snadné manipulace. Lineární optické kvantové počítání (LOQC) je slibný přístup, který využívá lineární optické prvky (děliče svazku, zrcadla, vlnové destičky) k provádění kvantových výpočtů s jednotlivými fotony. Zkoumá se také topologické kvantové počítání s fotony.

Kvantová kryptografie

Protokoly kvantové distribuce klíčů (QKD), jako jsou BB84 a Ekert91, používají jednotlivé fotony k bezpečnému přenosu kryptografických klíčů. Systémy QKD jsou komerčně dostupné a jsou nasazovány v bezpečných komunikačních sítích po celém světě.

Příklad: Společnosti ve Švýcarsku aktivně vyvíjejí a nasazují systémy QKD založené na technologii jednotlivých fotonů. Tyto systémy se používají k zabezpečení přenosu citlivých dat ve finančních institucích a vládních agenturách.

Kvantové senzory

Detektory jednotlivých fotonů lze použít k vytvoření vysoce citlivých senzorů pro různé aplikace. Například jednofotonový LiDAR (detekce a měření vzdálenosti světlem) lze použít k vytváření 3D map s vysokou přesností. Kvantová metrologie využívá kvantové efekty, včetně jednotlivých fotonů, ke zlepšení přesnosti měření nad klasické limity.

Kvantové zobrazování

Zobrazovací techniky s jednotlivými fotony umožňují zobrazování s vysokým rozlišením při minimální expozici světlu. To je zvláště užitečné pro biologické vzorky, které mohou být poškozeny světlem o vysoké intenzitě. Zobrazování duchů (ghost imaging) je technika, která využívá provázané fotonové páry k vytvoření obrazu objektu, i když objekt není osvětlen světlem, které by přímo interagovalo s detektorem.

Budoucnost manipulace s jednotlivými fotony

Oblast manipulace s jednotlivými fotony se rychle vyvíjí. Budoucí směry výzkumu zahrnují:

• Vývoj účinnějších a spolehlivějších zdrojů jednotlivých fotonů.
• Vytváření složitějších a škálovatelnějších kvantových fotonických obvodů.
• Zlepšování výkonu detektorů jednotlivých fotonů.
• Zkoumání nových aplikací technologií jednotlivých fotonů.
• Integrace kvantové fotoniky s dalšími kvantovými technologiemi (např. supravodivými qubity).

Vývoj kvantových opakovačů bude klíčový pro kvantovou komunikaci na velké vzdálenosti. Kvantové opakovače používají prohození provázání (entanglement swapping) a kvantové paměti k rozšíření dosahu kvantové distribuce klíčů za hranice omezení daných ztrátou fotonů v optických vláknech.

Příklad: Mezinárodní společné úsilí se zaměřuje na vývoj kvantových opakovačů s cílem umožnit globální kvantové komunikační sítě. Tyto projekty spojují výzkumníky z různých zemí, aby překonali technologické výzvy spojené s budováním praktických kvantových opakovačů.

Závěr

Manipulace s jednotlivými fotony je rychle se rozvíjející obor s potenciálem způsobit revoluci v různých aspektech vědy a technologie. Od kvantového počítání a bezpečné komunikace po ultra-citlivé senzory a pokročilé zobrazování, schopnost ovládat jednotlivé fotony dláždí cestu pro kvantovou budoucnost. Jak výzkum postupuje a objevují se nové technologie, manipulace s jednotlivými fotony bude nepochybně hrát stále důležitější roli při formování světa kolem nás. Globální spolupráce v tomto oboru zajišťuje, že inovace a pokroky budou sdíleny a přinesou prospěch všem národům.