Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 15 – vyšlo 27. dubna, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

15/2015

Cestování s kvantovou technologií 2.0

Petr Panchártek

Navigaci na základě kvantové technologie vyvíjejí v Národní fyzikální laboratoři (NPL, National Physical Laboratory) ve Velké Británii (viz AB 24/2014). Související výzkum provádí také anglická laboratoř DSTL (Defence Science and Technology Laboratory), kde vyvíjejí zařízení ke kvantovému měření gravitace. Takové zařízení by mohlo odhalit nehomogenity gravitačního pole pod zemí a detekovat například staré důlní šachty či nová ložiska rudy vhodná pro další těžení.

Nově vyvíjená kvantová technologie získala označení 2.0. Projekt je financován vládou Velké Británie a očekává se, že náklady na nejbližších pět let dosáhnou 270 milionů liber (10 miliard Kč). V podstatě se jedná o vývoj akcelerometrů, gyroskopů, gravitačních gradientometrů (měří spád gravitačního pole) a hodin. Tyto přístroje nejsou založené na tradiční elektromechanice, ale na měření vlastností jednotlivých atomů nebo shluků atomů.

Iontová mikropast pro atomové hodiny ve formě čipu. Zdroj: NPL.

Kvantový stav – soubor pozorovatelných parametrů kvantového systému, kterými je systém plně charakterizován. Popis stavu musí respektovat omezení kvantové mechaniky na současnou měřitelnost či neměřitelnost veličin. Například základní energetický stav atomu značíme symbolem |S>, vakuový stav symbolem |0>, živou kočku označíme |Ž>, mrtvou kočku |M> a podobně. Kvantový stav je zpravidla charakterizován sadou kvantových čísel a je matematicky vyjádřen tzv. vlnovou funkcí (prvkem Hilbertova prostoru stavů). Superpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž⟩+b|M⟩, kde a a b jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|2 ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|2 mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná. Relace neurčitosti – v mikrosvětě není možné současně změřit polohu a hybnost objektů. Změření jedné veličiny naruší měření druhé veličiny. Čím přesněji zjistíme polohu, tím menší informaci budeme mít o hybnosti a naopak. Jde o principiální zákonitost kvantového světa, která souvisí s nekomutativností veličin na elementární úrovni. Relace neurčitosti objevil Werner Heisenberg. Stejné relace platí také mezi energií a časovým intervalem. Ve vakuu mohou po velmi krátkou dobu vznikat ve shodě s relacemi neurčitosti fluktuace (objekty) o určité energii. Čím vyšší energie, tím kratší doba života těchto fluktuací. Dále relace platí i pro jakoukoli zobecněnou souřadnici a její hybnost. Může jít například o nějaké pole, které nemůže mít současně nulovou hodnotu a nulovou hybnost, což vede k jeho vakuovým fluktuacím.

Kvantová technologie 2.0

Za kvantové technologie první generace (1.0) považujeme taková zařízení, jakými jsou například laseryLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.  nebo kamery pro noční vidění. Takové přístroje jsou v jistém smyslu stále „v zajetí“ newtonovské fyziky. Kvantová technologie 2.0 je založena na superpoziciSuperpozice stavů – pokud dva stavy představují fyzikálně realizovatelný stav systému, je možná i superpozice těchto stavů. Například kvantově mechanická kočka nemusí být jen živá nebo mrtvá, může být i „obojí zároveň“. Takový stav značíme a|Ž⟩+b|M⟩, kde a a b jsou čísla vyjadřující váhu. Pokud na kočce v tomto superponovaném stavu provedeme měření, s pravděpodobností |a|² ji najdeme živou a s pravděpodobností |b|² mrtvou. Kvantová superpozice stavů je běžná pro kvantové objekty, například elementární částice nebo atomy. U makroskopických objektů (kočka, člověk) komunikujících s okolím je nemožná. kvantových stavůKvantový stav – soubor pozorovatelných parametrů kvantového systému, kterými je systém plně charakterizován. Popis stavu musí respektovat omezení kvantové mechaniky na současnou měřitelnost či neměřitelnost veličin. Například základní energetický stav atomu značíme symbolem |S>, vakuový stav symbolem |0>, živou kočku označíme |Ž>, mrtvou kočku |M> a podobně. Kvantový stav je zpravidla charakterizován sadou kvantových čísel a je matematicky vyjádřen tzv. vlnovou funkcí (prvkem Hilbertova prostoru stavů). jednotlivých atomů. Kvantový akcelerometr nebo gyroskop založený na kvantovém chování atomů by mohl mít přesnost až o 10 řádů lepší než současná zařízení. Chyby měření přístrojů založených na technologii 1.0 mají nejrůznější příčiny. U technologie 2.0 se chyby měření blíží až k teoretické hranici dané Heisenbergovými relacemi neurčitostiRelace neurčitosti – v mikrosvětě není možné současně změřit polohu a hybnost objektů. Změření jedné veličiny naruší měření druhé veličiny. Čím přesněji zjistíme polohu, tím menší informaci budeme mít o hybnosti a naopak. Jde o principiální zákonitost kvantového světa, která souvisí s nekomutativností veličin na elementární úrovni. Relace neurčitosti objevil Werner Heisenberg. Stejné relace platí také mezi energií a časovým intervalem. Ve vakuu mohou po velmi krátkou dobu vznikat ve shodě s relacemi neurčitosti fluktuace (objekty) o určité energii. Čím vyšší energie, tím kratší doba života těchto fluktuací. Dále relace platí i pro jakoukoli zobecněnou souřadnici a její hybnost. Může jít například o nějaké pole, které nemůže mít současně nulovou hodnotu a nulovou hybnost, což vede k jeho vakuovým fluktuacím..

Do vývoje kvantových technologií 2.0 se intenzivně zapojila anglická laboratoř NPL, kde vyvinuli velmi přesné atomové hodiny a zabývají se možnostmi definice základních jednotek soustavy SI za pomoci kvantových vlastností látky.

Kvantových vlastností atomů lze využít například v akcelerometrech (viz AB 24/2014). Jakékoli kvantové senzory potřebují velmi chladné atomy udržované v kombinaci elektrických a magnetických polí, tzv. atomové nebo iontové pasti. K chlazení na milikelviny až mikrokelviny se využívá technika laserového ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. vyvinutá Davidem Winelandem již v roce 1978.

Kvantový navigační systém nové generace bude mít stejné komponenty jako normální navigační systém, tedy tři akcelerometry, tři gyroskopy a hodiny, ale všechny komponenty budou provádět měření na základě chování ultrachladných atomů.

Přesnost takových systémů je dána frekvencí využívanou při měření. V případě standardních cesiovýchCesium – Caesium, chemický prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Cesium je měkký (měkkčí než vosk), lehký a zlatožlutý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od ostatních alkalických kovů je spolu s rubidiem těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Cesium bylo objeveno roku 1860 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem.  atomových hodin je frekvence 9,2 GHz. V nových technologiích mohou být použity pulzní lasery s frekvencí až 100 THz. K měření frekvence se využívá technika optického „frekvenčního hřebenu“, jejíž vynálezcům (Glauber, Hall, Hänsch), byla udělena Nobelova cena v roce 2005. Optický frekvenční hřeben umožňuje měřit frekvenci s relativní přesností 10⁻¹⁵, Otevírá tak bránu k měřením s bezprecedentní přesností patnácti platných cifer. Poprvé lidstvo získává dostatečně přesný nástroj ke sledování možných změn základních přírodních konstant v čase a k vývoji nové generace přístrojů. Příkladem mohou být „optické“ atomové hodiny velikosti krabice od bot, které vytvořil tým profesora Kai Bongse z NPL na univerzitě Birminghamu.

V následujícím přehledu Vás seznámíme s některými vyvíjenými kvantovými komponentami.

Gravitační gradientometr

Gravitační gradientometr je zařízení pro měření gradientu (spádu) gravitačního pole. Základem přístroje je měření zrychlení dvou těles nacházejících se ve dvou blízkých místech. Kvantová verze využívá atomů připravených za pomoci laserového pulzu v superpozici dvou stavů. V každém z obou stavů by se vržený atom dostal do dvou různých výšek. Hmotnostní vlny příslušející těmto kvantovým stavům spolu interferují a tuto interferenci je možné mapovat za pomoci dalšího (rezonančního) laserového paprsku (viz AB 5/2015).

Předpokládaná přesnost je tak vysoká, že by bylo možné podrobně zmapovat dutiny ve skále (působí na okolí nižší gravitací), například ve starých dolech. Na tomto základě bude jednou možné sestrojit tzv. „kvantový dalekohled“, přístroj, kterým za pomoci gravitace uvidíme i za neproniknutelné překážky. Jednotlivé gradientometry by tvořily pixely takového přístroje.

Současné algoritmy používané k vytváření obrazů z dat pořízených gradientometry jsou vhodné do desetinásobku citlivosti klasických zařízení. Pro kvantové verze bude třeba vyvinout zcela nové matematické algoritmy rekonstrukce obrazu.

Kvantové gravitační gradientometry by měly být v budoucnosti také základem přístrojů pro kvantovou navigaci. Základní komponenty vyvíjejí v současnosti týmy specialistů v anglické laboratoři NPL.

Nalevo: Elektrostatický gravitační gradientometr sondy GOCE (viz AB 38/2008). Data z gravitačního gradientometru slouží k rekonstrukci podpovrchové geodynamiky litosféry. Zdroj: ESA/GOCE.

Kvantový gyroskop

První kvantový gyroskop založený na rotaci supratekutého helia zkonstruoval Richard Packard z Kalifornské univerzity v Berkeley. Změna orientace osy se měřila změnou tlaku na membráně způsobenou prouděním supratekutiny. V další variantě kvantových gyroskopů jsou ultrachladné atomy, které jsou drženy v asymetrické pasti magnetických a elektrických polí. Při otáčení pasti se chladné atomy dostanou do superpozice dvou stavů – rotujícího a nerotujícího. Atomy v takové superpozici jsou velmi citlivé na jakékoliv další otáčení. Na Univerzitě v Leedsu se využitím kvantových gyroskopů pro navigaci zabývá tým vedený profesorem Timem Spillerem. První výsledky ukazují, že se měření za pomoci kvantových gyroskopů blíží k hraniční přesnosti dané Heisenbergovými relacemi neurčitosti.

Jedna z variant kvantového gyroskopu využívá k detekci změn rotace supratekuté
rotující hélium a jím způsobené změny tlaku [5].

Frekvenční hřeben

Frekvenční hřeben je dlouho chybějící detekční zařízení, které vyplňuje mezeru mezi světelným zdrojem se spojitým spektrem (například žárovkou) a monochromatickým zdrojem (například laserem). Frekvenční hřeben je zdrojem mnoha (řádově milionů) oddělených frekvencí. Je to stejné, jak kdybychom použili milion pulzních laserů s různými frekvencemi. Za pomoci měření na mnoha frekvencích lze analyzovat složení vzorků (například nečistot ve vodě) během sekund.

Na univerzitě v Glasgow a na Univerzitě Heriota Watta v Eddinburgu vyvíjejí miniaturní frekvenční hřeben, jehož frekvence by měly mít pravidelné rozestupy od stovek GHz (běžně elektronicky měřené frekvence) až po stovky THz (optické frekvence). Cílem jejich výzkumného projektu je postavit frekvenční hřeben o velikosti srovnatelné s běžným čipem.

Laser poskytující kvantovou kaskádu frekvencí je zařízením, které umožnilo
spektroskopická měření na zcela nové úrovni [13].

Iontová past

Iontové pasti jsou zařízení, která udržují v daném místě atom nebo shluk atomů za pomoci důmyslné konfigurace elektrických a magnetických polí. Atomy jsou zpravidla laserově ochlazoványLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku.  na velmi nízké teploty, tím se sníží šance uniknout z pasti a eliminuje se tepelné záření.

V NPL vyvíjí tým pod vedením Alastaira Sinclaira miniaturní past velikosti čipu. Past má tvar štěrbiny v destičce (plátu), na hranách štěrbiny jsou vodiče vytvářející elektrické pole tvaru písmene X. V pasti může být zachycen buď jediný atom, nebo řada atomů s odstupy v mikrometrech a s přesností lokalizace v desítkách nanometrlů. Vyvíjené zařízení se může hodit jednak do atomových hodin (přechody v atomárních obalech mají přesně definované frekvence) nebo při zpracování kvantové informace.

Optická lavice s iontovou pastí velikosti mikročipu vyvíjenou v NPL. Nalevo je patrný
jeden z UV laserů zajišťujících laserové ochlazování zachycených atomů [2].

Magnetooptická mikropast pro neutrální atomy

Relativně snadno lze zachytávat ionty. K mnoha experimentům jsou ale zapotřebí neutrální atomy. I takové objekty je možné zachytit v pasti z elektrických a magnetických polí, ale je třeba využít jejich dipólové vlastnosti (nesymetrické rozdělení náboje a nenulový magnetický moment). Takovou past vyvíjejí na Univerzitě v Southamptonu. Atomy jsou drženy za vysokého vakua a laserově ochlazovány na nízkou teplotu.

Zachycené neutrální atomy je opět možné využít jako médium pro atomové hodiny., Standardní atomové hodiny provozované za pokojové teploty se mohou od skutečného času odchýlit přibližně o jednu sekundu za 3 000 let. Přesnost hodin vyvíjených v Southamptonu by mohla být až o 7 řádů vyšší, teoreticky by se hodiny mohly odchýlit od správného času jen o 0,5 sekundy za celou dobu existence vesmíru. Současný prototyp je metr veliký. Odborníci z Univerzity v Southamtonu ale doufají, že se jim díky čipovým technologiím podaří vyvinout atomové hodiny o velikosti poštovní známky. Vakuová komora bude vyrobena z aluminosilikátového skla, které má mnohem nižší propustnost než jiné druhy skel.

Princip magnetooptiocké pasti pro jednotlivé atomy. Technická univerzita ve Vídni [16].

Duté optické vlákno jako fotonický krystal

Ve spolupráci NPL a ORC (Opto-Electronics Research Centre) z Univerzity v Southamptonu je vyvíjen další nezvyklý prototyp atomových hodin. Jejich základem je duté vlákno, které má vnější průměr 350 μm a vnitřní jádro o průměru 80 μm. Podél vlákna je soustava paralelních otvorů, díky nimž se celém vlákno chová jako fotonický krystalFotonický krystal – periodická dielektrická struktura, která v určitém kmitočtovém pásmu zabraňuje vniknutí elektromagnetických vln.. V něm jsou zachyceny cesiové nebo rubidiové atomy. Ve standardních hodinách je signál snímán na frekvenci 9,2 GHz. Ve vyvíjených hodinách je signál detekován laserovým paprskem procházejícím vláknem. Nová konstrukce umožňuje lepší odstup signálu od šumu, nižší spotřebu a miniaturizaci. Vývojáři doufají, že nové hodiny budou mít velikost notebooku.

Duté optické vlákno naplněné chladnými atomy se dvěma možnými stavy. Na nich
je rozptylován laserový paprsek. Duté vlákno slouží jako fotonický krystal.

Diamantový MEMS rezonátor

Elektromechanické součástky sice nemají nic společného s kvantovými součástkami založenými na vlastnostech atomů, ale jejich miniaturizace dosáhla fascinujících možností. Typickým příkladem je diamantový rezonátor – polokoule z diamantu na skleněném substrátu sloužící jako miniaturní setrvačníkový rezonátor může mít velikost jen 20 μm. Klasický křemenný piezoelektrický rezonátor v hodinkách a laptopech má rozměry kolem 1 mm. Diamantový MEMS rezonátor vyvíjejí například v britské společnosti Astrium nebo v americké Laboratoři Charlese Starka Drapera.

Diamantový MEMS rezonátor vyvinutý v Laboratoři Charlese Starka Drapera [8].

Laditelný laser

Společnost M² (M squared) v Glasgow vyvinula laditelný laser SolsTiS (Ti Sapphire laser). Je velký asi jako kniha Zlaté stránky. Titanový safírový laser má údajně nejnižší šum z průmyslově vyráběných laserů, je laditelný, kontinuální a dává velmi úzkou spektrální čáru. Laser obsahuje kompaktní rezonátor s vysokou mechanickou stabilitou, který umožňuje jednoduché ladění a skenování. Laser lze využít v technologii laserového chlazení atomů, v holografii, v zařízeních s vysokou hustotou optických datových úložišť a v metrologii.

Pulzní laditelný titanový safírový laser, který je založen
na bázi mechanického rezonátoru [15].

Odkazy