Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 35 – vyšlo 6. září, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

35/2019

Tady foton, jak mě slyšíte?

Petr Kulhánek

Každý z nás se někdy potýká se slabým signálem – poslouchání hudby z autorádia se při jízdě autem občas stane utrpením, v odlehlé oblasti nefunguje mobil právě v okamžiku, kdy neodkladně potřebujeme kamarádovi sdělit, že jsme v lese našli houby, a wifi připojení je v některých hotelových pokojích tak žalostné, že nemůžeme na Facebook poslat závažná sdělení o našem momentálním duševním rozpoložení. Každá taková situace drásá naše nervy a dohání nás k šílenství. Jedním z řešení je přiblížit se ke zdroji signálu, to ale není vždy reálné. Jiným řešením, které bude možné už v blízké budoucnosti, jsou kvantové přijímače schopné detekovat jednotlivé fotony. Taková zařízení jdou až na samotnou hranici detekce umožněnou fyzikálními zákony.

První nedestruktivní měření počtu fotonů v rezonanční dutině provedl francouzský fyzik Serge Haroche a vyneslo mu to Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2012 (viz AB 10/2016). Haroche dokázal za pomoci Rydbergových atomůRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919).  (viz AB 32/2016) detekovat jednotlivé fotony, aniž by je při detekci zničil. Jeden jediný foton opakovaně „spatřily“ stovky prolétajících Rydbergových atomů. Dnes známe i další principy detekce jednotlivých fotonů, což umožňuje konstrukci kvantového přijímače rádiových vln, který bude schopen zachytit i velmi slabé signály s vysokou úrovní šumu. Jeden takový experiment provedla úspěšně skupina vědců z Delfské technologické univerzity. Tým vede profesor Gary Steele.

Obr. 1: Kvantový přijímač vyvinutý v Delfské technologické univerzitě.
Čip má rozměr 1×1 cm. Zdroj: TU Delft.

Foton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. Fockův stav – stav v kvantové teorii, ve kterém je znám počet jedinců s danou energií. Někdy hovoříme o tzv. reprezentaci obsazovacích čísel. Tento stav je pojmenován podle sovětského fyzika Vladimira Alexandroviče Foka (1898–1974), v angličtině se jeho příjmení píše Fock. Kvantový bit, qubit – kvantová verze bitu (jednotky informace). Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. Josephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj. QED – Quantum Electrodynamics, kvantová elektrodynamika, současná teorie elektromagnetické interakce. Teorie je postavená na Diracově rovnici pro elektron a na kvantové verzi teorie elektromagnetického pole. Polní částicí interakce je foton.

Delfský kvantový přijímač

U nízkých frekvencí (dlouhých vlnových délek) je registrace jednotlivých fotonů a manipulace s nimi mimořádně obtížná, Ze všudypřítomných tepelných fluktuací náhodně vznikají rušivé fotony srovnatelné vlnové délky. Proto je většina zařízení detekujících jednotlivé fotony chlazena na teploty blízké absolutní nule. V Delfách se skupina kvantových fyziků pokusila takový přijímač vytvořit. Ve skutečnosti jde zatím o prototyp ukazující princip detekce fotonů, nikoli o funkční kvantové rádio. Základem přístroje je čip o hraně jeden centimetr, v němž jsou dva propojené spolupracující obvody. Jeden z nich je nízkofrekvenční, pracuje na frekvenci 173 MHz. Jde o mikrovlnný rezonátor, jehož induktor tvoří Josephsonův spojJosephsonův jev – jev, při kterém dva supravodiče oddělíme tenkou vrstvou izolantu tak, aby Cooperovy páry mohly tunelovat izolantem. Rozhraním poteče elektrický proud, jehož velikost závisí na vnějším magnetickém poli a teplotě. Využívá jej například senzor magnetického pole SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Součástka založená na Josephsonově jevu se nazývá Josephsonův spoj.  (L_J = 41 nH) sériově spojený s kondenzátorem (C_L = 11 pF). Obvod je chlazen natolik, že se v něm v 90 procentech času vyskytuje jeden foton, ve zbytku dva fotony. Z kvantového hlediska jde o Fockovy stavyFockův stav – stav v kvantové teorii, ve kterém je znám počet jedinců s danou energií. Někdy hovoříme o tzv. reprezentaci obsazovacích čísel. Tento stav je pojmenován podle sovětského fyzika Vladimira Alexandroviče Foka (1898–1974), v angličtině se jeho příjmení píše Fock. s jedním a dvěma fotony. Pokud přestane být nízkofrekvenční obvod chlazen, objeví se nežádoucí teplotní fluktuace již za několik nanosekund.

Obr. 2: Různé úrovně detailů vyvinutého kvantového čipu. A: optický obraz dvou obvodů napojených na vstup. B: optický obraz Josephsonova spoje (je součástí nízkofrekvenčního obvodu i qubitu). C, D: optický a SEMSEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů. obraz induktoru s 23 závity a vzdáleností mezi závity 1,5 μm. Zdroj: TU Delft.

Stav nízkofrekvenčního obvodu je čten supravodivým qubitemKvantový bit, qubit – kvantová verze bitu (jednotky informace). Klasický bit je buď ve stavu |0⟩, nebo |1⟩. Qubit zahrnuje navíc všechny superpozice α|0⟩+β|1⟩. Konkrétní hodnotu |0⟩, nebo |1⟩ nabude teprve v okamžiku měření. s gigahertzovou frekvencí (5,9 GHz, o qubitech založených na Josephsonově spoji jsme psali v AB 38/2017). Taková frekvence zajišťuje dostatečné časové rozlišení. Vysokofrekvenční obvod obsahuje paralelně zapojenou indukčnost L (28 nH) a kondenzátor C_H (0,04 pF) a je propojen s nízkofrekvenčním obvodem přes Josephsopnův spoj (viz Obr. 3). Ve výsledném obvodu se současně prohánějí vysoké i nízké frekvence. Na každou z nich ale obvod reaguje zcela jinak. Při vysokých frekvencích vede kondenzátor C_L elektrický proud a chová se, jako zkrat (Obr. 4 napravo). Naopak při nízkých frekvencích kondenzátory C_H a C_C (na vstupu) nevedou proud a obvod rozpojují (Obr. 4 nalevo). Zcela odlišné chování pro nízké a vysoké frekvence umožňuje každé z částí obvodu plnit samostatně svou funkci. Nízkofrekvenční část je měřená a vysokofrekvenční část měřicí. Na Delfské technologické univerzitě ověřili funkčnost čipu a mají s ním velké plány. Chtějí, aby se v budoucnu stal součástí skutečného kvantového rádia a posloužil jak v nových technologiích, tak i ve vědeckém výzkumu.

Obr. 3: Základní schéma obvodu nového kvantového čipu. Křížkem je označen Josephsonův spoj, který je součástí jak vysokofrekvenční, tak nízkofrekvenční části obvodu. Vysokofrekvenční cívku tvoří mikrospirála ukázaná v detailech na Obr. 2. Zdroj: TU Delft.

Obr. 4: Chování obvodu při nízkých (vlevo) a vysokých (vpravo) frekvencích.
Zdroj: TU Delft.

Další experimenty

Obdobné experimenty, ale založené na jiných fyzikálních principech, konají také v americkém Národním institutu pro standardy a technologie NISTNIST – National Institute of Standards and Technology, Americký Národní úřad standardů a technologie. Založen byl v roce 1901. Jeho laboratoře se nacházejí v Boulderu (Colorado) a v Gaithersburgu (Maryland).. V marylandské části (v městečku Gaithersburg) se Dave Howe se svou skupinou zabývá podmořskou komunikací na velmi nízkých frekvencích (3 až 30 kilohertzů). Takové vlny sice vodou procházejí, ale jejich nízká frekvence neumožňuje při rozumné šířce pásma přenášet dostatečný objem informací pro hlasovou komunikaci. Komunikace se tak omezuje pouze na povely ve formě krátkých textových zpráv. S kvantovými senzory by byla možná i hlasová komunikace. Skupina vyvíjí kvantové magnetometry, jejichž srdcem jsou rubidiové atomy. Stejnosměrné magnetické pole změní spin rubidiových atomů, stav spinu je detekován polarizovaným světlem a převáděn na střídavý signál. Vyvíjené zařízení má malé rozměry, malý příkon, pracuje za pokojové teploty, málo interaguje s okolím a má nízkou pořizovací cenu. Při prvních testech se podařilo detekovat i signály pod úrovní okolního magnetického šumu – s amplitudou 10^–12 T, což je přibližně miliontina zemského magnetického pole.

V coloradské části NIST v Boulderu zkouší skupina Chrise Hollowaye další způsob kvantové detekce. Využívá Rydbergovy atomyRydbergův atom – atom excitovaný do vysokého hlavního a vedlejšího kvantového čísla. Rydbergovy atomy jsou velmi citlivé na okolní elektrická a magnetická pole. Elektronová vlnová funkce může být u některých superpozic stavů těchto atomů aproximována klasickým pohybem elektronu po kružnici. Vysoce excitované atomy jsou pojmenovány podle švédského fyzika Johannese Roberta Rydberga (1854–1919). tak, jak to dělal Serge Haroche ve svých pionýrských experimentech s nedestruktivní detekcí jednotlivých fotonů (viz AB 10/2016). Jako Rydbergovy atomy používají vysoce excitované atomy ¹³³Cs a ⁸⁵Rb. Rydbergovy atomy jsou citlivé na počet fotonů v jejich okolí (viz AB 32/2016). Dva druhy atomů umožňují současnou detekci dvou různých frekvencí. Při experimentech používá Chris Holoway jako zdroj zvuku obyčejnou kytaru. Kvantové detektory nízkofrekvenčních fotonů se vyvíjejí i v dalších laboratořích a je zjevné, že skutečný kvantový přijímač rádiových vln na sebe nenechá dlouho čekat.

Ne, to není šílený rocker, ale fyzik Chris Holloway a jeho atomové nahrávací studio,
v němž zaznamenává zvuky kytary pomocí Rydbergových atomů. Zdroj: NIST.

Využití

Čtenáře často při čtení článků o výsledcích vědeckého výzkumu napadají otázky: „K čemu je taková věc dobrá?“ „Bude chleba levnější?“ Odpověď je v tomto případě velmi jednoduchá. Delfský experiment ukázal, že je možné nedestruktivně detekovat počty fotonů v nízkofrekvenčním obvodu. Tato dovednost povede ke konstrukci kvantového přijímače, který se uplatní v řadě oborů lidské činnosti: především v telekomunikacích, v rádiové astronomii, kde umožní pozorovat ještě slabší zdroje než dnes, v zobrazovacích technikách, jako je jaderná magnetická rezonance využívaná hojně v medicíně, v GPS komunikaci, při posílení wifi komunikace, umožní studovat zákony kvantové termodynamiky a zabývat se kvantovými vibracemi makroskopických objektů a přispět tak k poznání jevů na pomezí mikrosvěta a makrosvěta. A chleba? Ten levnější nebude, protože nám na polích rostou namísto obilí kolektory a v lepším případě řepka olejka.

Odkazy