MCIN: Mezinárodní centrum pro informaci a neurčitost

Výzkumné aktivity

Kvantový přenos a zpracování informace

Kvantová optika umožňuje testovat jevy v mikrosvětě a formulovat a ověřovat fundamentální koncepty kvantové fyziky. Současně ale směřuje k praktickým aplikacím v komunikačních technologiích.

Kvantová teorie, nezbytná pro popis mikrosvěta, postavila v minulém století fyziky před úplně nové paradigma. Kvantové systémy se totiž chovají mnohem podivněji, než ty, které známe z klasické fyziky. Mohou se např. nacházet v superpozici stavů odpovídajících dvěma různým polohám částice. Dvě nebo více částic se může vyskytnout v tzv. provázaném stavu, kdy lze pozorovat jisté nelokální vlastnosti, projevující se např. ve výsledcích korelačních měření. Kvantová fyzika nám, zdá se, odhalila skutečnost, že součástí přírody je jakási vnitřní náhodnost, kterou nelze obejít a která se projevuje ve výsledcích kvantového měření. Kromě toho každé měření nebo jakákoli interakce s kvantovým systémem obecně podstatným způsobem ovlivňuje jeho stav. Ukazuje se nicméně, že tyto kontraintuitivní vlastnosti lze velmi zajímavým způsobem využít při zpracování nebo přenosu informace. To, co můžeme s informací provádět, totiž hodně závisí na fyzikálním systému, který informaci nese. Využití kvantových systémů při zpracování informace nabízí řešení některých problémů, které jsou v rámci klasické teorie informace neřešitelné nebo jejichž klasické řešení není známé. Jedná se např. o bezpečný přenos kryptografického klíče nebo o faktorizaci velkých čísel v polynomiálním výpočetním čase. Kvantová optika se ukázala být velmi dobrou experimentální platformou jak pro studium fundamentálních vlastností kvantové teorie, tak pro konstrukci zařízení pro kvantový přenos a zpracování informace.

Skupina kvantové optiky a kvantové informatiky na katedře optiky patří mezi přední evropská pracoviště zabývající se kvantovým přenosem a zpracováním informace. Může se pochlubit řadou původních výsledků, rozsáhlou zahraniční spoluprací, dlouholetou tradicí v oblasti teoretické a dynamickým vývojem v oblasti experimentální. Skupina se zabývá teoretickým i experimentálním studiem kvantových hradel, tedy elementárních obvodů pro kvantové zpracování informace a kvantové počítání. Mimo jiné byl sestrojen jednoduchý programovatelný kvantový procesor. Studovány jsou obecně jak systémy s diskrétními, tak i spojitými proměnnými. Při optické implementaci hradel se uplatňují různé optické technologie. Hojně se využívá párů provázaných fotonů, generovaných pomocí spontánní sestupné parametrické konverze. Experimenty jsou budovány jak z objemových optických prvků, tak s použitím vláknové optiky. V některých případech se využívá elektronické dopředné vazby, která umožňuje ovlivnit kvantový stav jednoho fotonu na základě výsledku měření na druhém fotonu – jde vlastně o kvantový přepínač ovládaný jediným fotonem. Dopředná vazba je ale využívána i v kontextu spojitých proměnných. Zkoumány jsou též neklasické stavy světla, např. stavy s určitým počtem fotonů, provázané stavy, tzv. stlačené stavy, ale jiné exotické stavy. Tým zkoumá kvantový přenos informace s využitím neklasických stavů včetně metod kvantové kryptografie. Mimochodem kvantová kryptografie je dnes již prakticky používanou technikou pro bezpečnou komunikaci. Pozornost je také věnována vlivu a možnostem omezení tzv. kvantového šumu v systémech pro kvantový přenos a zpracování informace – navržen byl např. bezšumný kvantový zesilovač. Ten byl později využit pro potlačení šumu při přenosu informace prostřednictvím kvantových stavů světla. Jedná se o fascinující výzkum týkající samotných základů kvantové teorie. Výsledky jsou publikovány v prestižních mezinárodních časopisech. Během posledních pěti let byly např. publikovány 3 práce v Nature Physics, 1 v Nature Communication, 1 v Nature Photonics, 1 v Rev. Mod. Phys., 14 v Phys. Rev. Let., 75 v Phys. Rev. A a 3 v New Journal of Physics. Za posledních pět let získali členové týmu 8 prestižních národních i mezinárodních ocenění. Dvě nejvýznamnější z poslední doby jsou Cena ministra školství ČR za výzkum v oblasti kvantové informace a kvantové optiky (doc. J. Fiurášek, 2010) a Cena Grantové agentury České republiky (doc. R. Filip, 2011). Skupina aktivně spolupracuje s více než desítkou zahraničních týmů z Německa, Rakouska, Itálie, Dánska, Japonska, Španělska a dalších zemí. Ve výzkumném týmu najdete vedle doktorandů i magisterské studenty a vznikla zde i řada bakalářských prací. Všechny byly součástí dlouhodobějších výzkumných směrů.









ESF Logo
Contact Information:
E-mail:mcin (at) mcin.upol.cz
WWW:http://mcin.upol.cz
Phone:+420 585 634 250
International Centre for Information and Uncertainty
Faculty of Science, Palacky University, Olomouc
Tr. 17. Listopadu 12, 771 46 Olomouc
Czech Republic