Kvantová a nelineární optika

V oblasti kvantové a nelineární optiky se zabýváme zejména tématy souvisejícími s generací, přenosem, detekcí a kvantovým zpracováním informace. K tomu využíváme jako hlavní nástroj fotonová dvojčata získaná procesem parametrické sestupné frekvenční konverze

Publikovali jsme několik návrhů nových zdrojů fotonových dvojčat založených na fotonických strukturách jako jsou např. periodicky pólované nelineární krystaly (Opt. Express 2010, 18, 27130), vlnovody s Braggovým odrazem (Opt. Express2011, 19, 3115), kruhová vlákna (Opt. Express 2014, 22, 23743) nebo metalodielektrické struktury (Phys. Rev. A 2014, 90, 043844). Takové zdroje nabízejí významné výhody oproti tradičním zdrojům založeným na nelineárních krystalech a mohou nalézt využití např kvantově-informačních schématech budoucnosti. Kromě miniaturizace a vyššího poměru intenzity k objemu mohou takové struktury také produkovat fotonová dvojčata s extrémně širokými spektry, kvantovou provázaností vysoké dimenze nebo dvojčata kvantově provázaná v několika vlastnostech včetně orbitálního úhlového momentu. Některé z navržených zdrojů byly rovněž experimentálně realizovány a testovány. V této oblasti jsme úzce spolupracovali s Institutem fotonických věd v Barceloně (ICFO). Intenzívně jsme se ale věnovali i tradičním zdrojům fotonových párů založeným na krystalech LiIO₃ nebo BBO (Phys. Rev. A 2005, 71, 33815; J. Opt. B-Quantum Semicl. Opt. 2005, 7, S572). Popsali jsme také generaci fotonových párů na rozhraní různých prostředí (Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 63902).

V oblasti kvantového zpracování informace věnujeme hlavní úsilí návrhu a konstrukci prvků pro manipulaci s kvantovými stavy založenými na lineární optice. Ty zahrnují např. řízené fázové hradlo (Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 013602; Phys. Rev. Lett. 2015, 114, 153602), účinnost kvantové provázanosti kvantových hradel (Phys. Rev. A 2012, 86, 032321), klonování kvantových bitů (Phys. Rev. A 2012, 85, 050307) a odposlouchávání kvantových komunikačních linek založené kvantovém klonování (Phys. Rev. Lett. 2013, 110, 173601), kvantové směrování (Phys. Rev. A 2013, 87, 062333), zesilování kvantových bitů (Phys. Rev. A 2013, 87, 012327), nebo kvantová teleportace (Phys. Rev. Lett. 2019, 122, 170501). Rovněž se zabýváme vlivem prostředí na přenos kvantových stavů (Phys. Rev. A 2012, 85, 063807). Většina zmíněných schémat byla experimentálně realizována v našich laboratořích. Takové prvky se mohou stát součástmi kvantových komunikačních sítí budoucnosti. Některé z těchto prací byly realizovány ve spolupráci s Univerzitou Adama Mickiewicze v Poznani a dalšími polskými pracovišti (Wroclav, Zelená Hora).

V oblasti detekce jsme vyvinuli přístupy založené na intenzifikovaných CCD kamerách, čímž jsme získali univerzální nástroj pro zkoumání korelací v počtech fotonů, prostorových a spektrálních korelací v polích fotonových dvojčat. Takové nástroje jsme využili např. pro detailní zkoumání korelací fotonových dvojčat jak na úrovni jednotlivých fotonů (Phys. Rev. A 2010, 81, 043827; Phys. Rev. A 2012, 85, 023816) tak i v silných polích (Opt. Express 2014, 22, 13374). U procesů v silných polích jsme přispěli k pochopení jejich dynamiky (Sci. Rep. 2016, 6, 22320; Phys. Rev. A 2020, 101, 63841) a šíření (Sci. Rep. 2015, 5, 14365). S využitím kvantové provázanosti v počtu fotonů byla vyvinuta metoda pro kalibraci kvantové účinnosti detektorů bez kalibrovaného zdroje záření (Opt. Lett. 2012, 37, 2475), která byla později zobecněna i na detektory s analogových výstupem (Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 041113) a na možnost získat celou spektrální kalibrační křivku (J. Opt. Soc. Am. B 2014, 31, B1). Kvantové provázanosti ve více dimenzích lze také využít k redukci šumu při čítání fotonů (Phys. Rev. Appl. 2017, 8, 44018). Představili jsme rovněž efektivní způsoby generace neklasických stavů světla (Opt. Express 2013, 21, 19387; Phys. Rev. A 2013, 88, 062304). Některé z těchto prací byly prováděny v úzké spolupráci s Universitou Insubria, Como, Itálie.

Značnou pozornost věnujeme detekci a kvantifikaci kvantové provázanosti. Pomocí měření Bellova typu konstruujeme tzv. svědky kvantové provázanosti (Phys. Rev. A 2016, 94, 52334). Vyvinuli jsme řadu indikátorů neklasičnosti optických polí založených na intenzitních momentech (Opt. Express 2016, 24, 29496) a pravděpodobnostech elementů fotopulsního rozdělení (Phys. Rev. A 2020, 102, 43713), případně jejich kombinaci (Phys. Rev. A 2022, 105, 13706).

Věnujeme se také kvantové provázanosti v multi-partitních stavech. Experimentálně jsme testovali nelokalitu Greenberger-Horne-Zeilingerových stavů (Phys. Rev. A 2020, 101, 52109) a vygenerovali pole s netriviálními korelacemi v počtech fotonů (Opt. Express 2021, 29, 29704; Phys. Rev. A 2021, 104, 13712).

V poslední době stále častěji využíváme metody strojového učení v kvantové optice, například pro optimalizaci svědků kvantové provázanosti (Phys. Rev. Appl. 2021, 15, 54006), pro trénování kvantových hradel (Opt. Express 2019, 27, 32454) nebo také pro kvantifikaci neklasičnosti párových optických polí.

V široké mezinárodní spolupráci se věnujeme také nehermitovským kvantovým systémům (Quantum 2022, 6, 883; Nat. Commun. 2023, 14, 2076) a Ramanovu rozptylu (Opt. Commun. 2019, 444, 111).

Nejnovější publikace skupiny

Skupina kvantové a nelineární optiky