Optika v Olomouci - Katedra optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého
Výzkum na katedře optiky PřF Univerzity Palackého Olomouc

Na Katedře optiky se věnujeme výzkumu moderních aspektů světla, jako je manipulace a přenos informace pomocí světelného signálu, přesná měření vlastností světla na úrovni jednotlivých fotonů a kvantového šumu, vzájemné působení světla a hmotných objektů, záznam a transformace obrazu a další. Zastoupen je i aplikační výzkum, například manipulace mikročástic pomocí světla nebo optometrie. V této části stránek naleznete stručný přehled jednotlivých směrů výzkumu na Katedře optiky v Olomouci. Podrobný popis jednotlivých oblastí výzkumu včetně referencí naleznete v anglické části stránek v sekci Research.

Prostorové jevy a fázové singularity v koherentním záření

Koherentní laserové svazky mají význačné vlastnosti, které jsou využívány v celé řadě technických aplikací. V posledních letech jsou v rámci moderní svazkové optiky studovány i zcela nové jevy, které poskytují potenciál pro atraktivní fyzikální aplikace a stimulují rozvoj pokročilých experimentálních metod a nových technologií. Na katedře optiky jsou systematicky studovány nestandardní laserové svazky, zejména svazky nedifrakční a vírové. Nedifrakční svazek může být například realizován jako velmi úzká, prakticky nerozbíhavá světelná trubice, jejíž délku lze v experimentu měnit. Při průměru několika mikrometrů může délka této světelné trubice dosáhnout až několika desítek milimetrů, což je situace zcela nedosažitelná s běžnými laserovými svazky. Nedifrakční svazky mají i jiné pozoruhodné vlastnosti, díky nimž jsou zajímavé pro metrologii, konstrukci elektronových urychlovačů, optické manipulace nebo bezdrátové komunikace.

[OPTICS IN OLOMOUC]
Princip přeměny běžného svazku na vírový pomocí spirální masky.

V rámci řešení projektů základního výzkumu byla laboratoř katedry optiky vybavena prostorovými modulátory světla, které výrazně rozšířily experimentální možnosti. Prostorový modulátor je ve své podstatě display tvořený maticí elementárních buněk, kterých může být více než milion. Každá z buněk představuje kapalný krystal řízený signálem z počítače. S využitím elektrooptického jevu tak lze na každé buňce nezávisle měnit propustnost, nebo optickou dráhu a tím ovlivňovat procházející laserový svazek. S využitím těchto zařízení je možné vstupní laserový svazek "tvarovat" podle předem stanovených požadavků. Lze tak vytvářet nejen nestandardní typy laserových svazků ale je možné dosáhnout i prakticky libovolného prostorového rozdělení intenzity koherentního záření. Tímto způsobem jsme schopni vytvářet optické pasti pro zachycení a následné ovládání částic mikrometrových rozměrů optickými silami o velikosti několika desítek pikonewtonů.

[OPTICS IN OLOMOUC]
Fázový prostorový modulátor Boulder (512x512 pixelů).

Další významnou oblastí, která je na katedře optiky rozvíjena, je singulární optika. Hlavní pozornost je věnována tzv. vírovým svazkům, které představují optickou analogii vírů hydrodynamických, se kterými máme běžnou zkušenost. U vírů optických místo kapaliny víří elektromagnetická energie, výsledný mechanický účinek je ale podobný. Vírové svazky mohou přenášet orbitální moment hybnosti a roztáčet mechanické objekty v optických manipulacích, nebo působit jako pohon miniaturních rotorů používaných v mikromechanických systémech. Kromě mechanických účinků vírových svazků studujeme na katedře optiky i jejich informační obsah. Pracujeme na nových metodách přenosu informace, které využívají dodatečné prostorové stupně volnosti poskytované singulární fázovou strukturou složených vírových svazků. Výzkumná činnost v uvedených oblastech probíhá za účinné spolupráce s pracovišti v ČR i v zahraničí a je při ní sledována i možnost praktického využití dosažených výsledků.

Experimenty s kvantovým zpracováním informace

Donedávna hrála kvantová mechanika při zpracování informace jen okrajovou úlohu, týkající se především otázek konstrukce polovodičových součástek. Postupně se ale přislo na to, že některé podivuhodné kvantové jevy umožňují realizovat takové způsoby zpracování či přenosu informace, které jsou nemyslitelné v rámci klasické teorie informace. Nejzajímavější potenciální aplikace jsou kvantová kryptografie a kvantové počítače. Kvantová kryptografie umožňuje bezpečnou komunikaci. Pro kvantové počítače existují algoritmy na řešení jistých typů úloh (jako je třeba faktorizace velkých čísel), které jsou mnohem efektivnější, než jakýkoli známý klasický algoritmus pro běžný počítač. Mezi další zajímavé metody kvantového zpracování informace patří třeba teleportace kvantového stavu, kvantové opravné kódy, klonování kvantových stavů apod. Kvantová optika je velmi silným nástrojem jak ke zkoumání fundamentálních ingrediencí kvantové teorie, mezi něž patří například kvantová provázanost neboli entanglement, tak pro konstrukci zařízení pro kvantové zpracování informace. Populárně laděná prezentace o základech kvantové teorie ke stažení ve formátu PDF.

Naše pracoviště se dlouhodobě zabýva experimentálním studiem vlastností provázaných stavů a interference na jednofotonové úrovni a experimentální realizací jednoduchých kvantových operací užitečných pro kvantové zpracování informace. V předchozích letech jsme se mimo jiné věnovali kvantovému kopírování fotonů, ztrátové kvantové kompresi, realizaci tzv. kvantových multimetrů a programovatelného kvantového diskriminátoru nebo přímému měření překryvu dvou polarizačních stavů fotonů. Prezentace ve formátu PDF obsahující stručný přehled některých experimentů s obrázky.

[OPTICS IN OLOMOUC] [OPTICS IN OLOMOUC]

V poslední době jsme na Katedře optiky realizovali některá důležitá kvantová hradla kontrolovaná nebo dokonce programovatelná kvantovým stavem fotonů v programovém registru. S využitím až tří kvantově provázaných fotonů a jejich interference se daří kontrolovaně měnit stav fotonů v datovém registru a posouvat tak hranice moderního zpracování dat.

[Quantum Teleportation in Olomouc]

Kvantová kryptografie a sdílení tajného klíče

Kvantová kryptografie je metoda pro utajený přenos informace, jejíž bezpečnost je garantována fyzikálními zákony, viz podrobnější popis. Na rozdíl od kvantové kryptografie, většina konvenčních šifrovacích metod spoléhá na to, že při použití vhodných matematických algoritmů je dešifrování zprávy výpočetně velice náročné - ne však nemožné. Kvantová kryptografie sice neumí odposlechu zabránit, ale umí ho odhalit. Proto se nepoužívá přímo k přenosu zpráv, ale k přenosu kryptografického klíče. Je-li zjištěn odposlech, klíč se nepoužije a žádná informace neunikne. Je-li klíč přenesen bezpečne, použije se k zašifrování zprávy. Proč umí kvantová kryptografie odposlech odhalit? Protože informace se při přenosu kóduje do tzv. neortogonálních stavů částic - například fotonů. V takovém případě jakékoli měření či interakce s částicí nesoucí informaci její stav obecně podstatně změní. Odposlech přitom není nic jiného než nějaký druh měření. Změny způsobené odposlechem mohou legální uživatelé zjistit. Protože světlo (fotony) se snadno šíří na velké vzdálenosti a málo interaguje se svým okolím, je kvantová optika velmi dobrou základnou pro experimentální realizaci kvantové kryptografie. V současné době je odzkoušeno mnoho experimentálních zařízení pro kvantovou distribuci klíče. Mnohé z nich využívají optických vláken, některé komunikují volným prostorem. Existují již i první komerční produkty. Prezentace o kvantové kryptografii ke stažení ve formátu PDF.

Na našem pracovišti se kvantovou kryptografií zabýváme přibližně od roku 1995. V roce 1998 jsme vybudovali funkční experimentální prototyp zařízení pro kvantovou distribuci klíče a vzájemnou identifikaci s implementovanými všemi podpůrnými procedurami. V současné době jsme zapojeni do rozsáhlého projektu Evropské unie na výzkum a vývoj kvantové kryptografie SECOQC.

[OPTICS IN OLOMOUC] [OPTICS IN OLOMOUC]

Kontrola kvantového šumu světla

Kvantový šum se fundamentálně liší od klasického šumu známého například v elektronických obvodech. Je proto potřeba vyvinout nové experimentálně proveditelné metody jak tvarovat kvantový šum pro danou aplikaci. Obzvláště zajímavé jsou problémy lokální kontroly kvantového šumu rozloženého mezi více systémy (kvantová provázanost). Současnými hlavními aplikacemi jsou hyper přesná optická měření, optické komunikace s nízkým šumem a kvantová kryptografie. Protože je možné pozorovat světlo jako spojitý signál s kvantovým šumem (koherentní a stlačené světlo), ale také jako náhodný proud částic (fotonů), jsou paralelně rozvíjeny metody kontroly obou těchto duálních vlastností. Teoretický výzkum je prováděn v úzké spolupráci se zahraničními experimentálními pracovišti, kde jsou navržené metody testovány. Hlavními směry výzkumu jsou: kontrola kvantového šumu světla, informace a kvantový šum, kvantové smazávání, nelokální optické experimenty, nelineární kvantová optika indukovaná měřením.

[OPTICS IN OLOMOUC]

Interakce světla a atomů, kvantová paměť

Kvantovou informaci může nést svazek světla, někdy ale potřebujeme takovou informaci na čas odložit, abychom si ji mohli později vyzvednout. Světlo zastavit nejde, můžeme to ale zkusit s informací, kterou nese? Nejjednodušší by bylo svazek světla pustit do nějakého detektoru, vlastnosti světla tím proměřit a výsledek uložit třeba na disku počítače. Informace by tak zůstala uložená - ale už by to nikdy nebyla kvantová informace. Její podstatnou vlastností totiž je, že v sobě nese "dvojí tajemství" - když to jedno odhalíme (změříme), druhé se nenávratně zničí. Než provedeme měření, máme pořád na vybranou, kterou část tajemství chceme odkrýt a kterou obětovat. Kvantová paměť nám právě umožňuje uskladnit si takovouto informaci aniž bychom se museli ještě rozhodnout co odkrýt za cenu zničení toho druhého. Naše výzkumy ukazují, jak se pro uchování kvantové informace dají využít atomární páry alkalických kovů: paměť je tu vytvářena kolektivním spinovým stavem zhruba biliónu atomů držených v malé skleněné nádobce. Je zajímavé, kolik různých triků se dá použít, aby takto vytvořená paměť měla co nejužitečnější vlastnosti.

[OPTICS IN OLOMOUC]

________________________________________________________________

sites: optics.upol.cz, www.photonoptics.eu; keywords: Department of Optics, Palacky University, UP, Olomouc, Czech Republic, CR, light, optics, quantum optics, nonlinear optics, optical, wave, quantum, photon, photonics, photonic, laser, vortex, beam, detector, electronics, electronic, optometry; czech keywords: Katedra optiky, Prirodovedecka fakulta, Univerzita Palackeho, Olomouc, svetlo, kvantova optika, nelinearni optika, opticky, vlna, kvantum, foton, fotonika, fotonicky, laser, laserovy, svazek, detektor, elektronika, elektronicky, optometrie; webmaster: Miroslav Jezek;