Kvantové vlastnosti světla pocházejícího z velkého počtu jednoatomových zdrojů detekoval jako první na světě tým vědců z katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci a ústavu přístrojové techniky AV ČR v Brně, který tak potvrdil předchozí teorii.

Takzvané neklasické záření má vlastnosti vymykající se obvyklé optice a může mít v budoucnu široké uplatnění, například v oblasti telekomunikací a kvantových počítačů, sdělil Lukáš Slodička z katedry optiky Přírodovědecké fakulty. Výsledek vědecké práce společného týmu publikoval prestižní americký fyzikální časopis Physical Review Letters a přečíst si ho můžete zde.

Podle klasické definice je světlo viditelná část elektromagnetického záření, tedy elektromagnetické vlnění. Kvantová optika na světlo nahlíží i jako na proud částic - fotonů. Právě tyto částicové vlastnosti světla olomoučtí a brněnští vědci zkoumali v laboratořích.

"Prezentovaný experiment jasně ukazuje, že když zvyšujeme počet jednofotonových emitorů, tak kvantové vlastnosti emitovaného světelného záření zůstávají zachované a schopnost měřit je neklesá nijak dramaticky," uvedl Slodička.

Podle něj tento experiment otevírá zcela nový pohled na popis světla "optikou" kvantové fyziky, protože ukazuje, že i pro velmi intenzivní světelné toky mohou být jejich pozorovatelné vlastnosti neslučitelné s klasickým chápáním elektromagnetického záření. Neklasické záření lze sice běžně měřit z jediného emitoru, ale jeho pozorování z vysokého počtu nezávislých zdrojů produkujících jednotlivá kvanta záření, tedy fotony, už představuje značný problém.

"Jsem rád, že se podařilo experimentálně pozorovat vlastnosti světla v souladu s teoretickými predikcemi, které dlouho čekaly na toto významné potvrzení. Neklasické vlastnosti světla jsou totiž hůře viditelné s rostoucím počtem emitorů, což je typické pro situace, kdy kvantový svět přechází do klasického, který lidé vnímají kolem sebe," komentoval výsledky experimentu vedoucí olomouckého týmu Radim Filip.

Společnému experimentálnímu týmu se v nové laboratoři v Brně podařilo neklasické záření detekovat z krystalu s více než tisícem emitorů - atomových iontů vápníku. "Z hlediska náročnosti se jednalo o nejkomplikovanější experiment, který jsem zatím měřil, protože se neustále objevovaly problémy, které vás při klasickém experimentu nepotkají," podotkl Petr Obšil z katedry optiky.

Tým prováděl pokusy pět let a použil při tom ty nejcitlivější jednofotonové detektory. "Dlouho se nám nedařilo pokusy dotáhnout do úspěšného konce, pak nastal přelomový moment. Podařilo se nám odchytit jediný iont, elektricky nabitou miniaturní částici atomu, a izolovat ho v naprosto čistém prostředí - ve vakuu o tlaku 14 řádu od okolního atmosférického tlaku. V tu chvíli nám bylo jasné, že budeme moci experimenty s prokazatelně 'neklasickým' světlem dělat," dodal Obšil pro HN.

Trubičku, ve které byl vápník ve formě prášku, zahřáli vědci na vysokou teplotu, aby se atomy vápníku začaly vypařovat. Nejvzdálenějším elektronům od jádra pak lasery dodali tolik energie, že od atomu uletěly.

Atom se takzvaně ionizoval, tedy dostal kladný náboj, jelikož mu chyběl záporný elektron. Díky tomu ho pak mohli vědci pomocí elektrických sil odchytávat a držet v prázdnu, kde iont (elektricky nabitá částice atomu) vápníku levitoval. Pomocí jiných laserů pak iont ochladili na teplotu v řádu několika mili-Kelvinů, tedy blízko absolutní nulové teploty.

"Ionty jsme pozorovali i pouhým okem. Vypadají jako hvězda na obloze, jako malá blikající tečka," doplnil pro ilustraci Slodička. Těchto "teček" odchytili vědci na tisíc.

Přestože to nebylo původním cílem pokusů, vědecký tým takto vyvinul první jakousi kvantovou žárovku, tedy relativně intenzivní zdroj světla, na kterém jsou prokazatelně pozorovatelné jeho kvantové vlastnosti. Aby se však pořádně rozsvítila, bylo by iontů zapotřebí nachytat asi tisíckrát víc.

"Kdybychom se na to zaměřili, možná by to trvalo rok dva, aby žárovka svítila intenzivně. To ale není cíl, protože na čtení nám zatím stačí klasické zdroje světla. Objev má spíše fundamentální význam. Významně posunuje hranice, kdy je vhodné už aplikovat kvantovou fyziku. Někdo vám taky může dát zdroj světla a zadat, abyste spočítal, kolik je v něm jednofotonových emitorů, například atomů. To opravdu s klasickým optickým mikroskopem nejde," dodal fyzik.

I když jde o základní výzkum, vědci už mají představu o možném využití svých poznatků v praxi. Prezentované výsledky mohou podle Slodičky najít uplatnění v moderních kvantových technologiích, které se používají v telekomunikacích či v oblasti výpočetní techniky.