Vědátor s Josefem Hlouškem: Učíme se ovládat samotné fotony
Poznejte dalšího stipendistu podpořeného Nadačním fondem Univerzity Palackého – dnes jde o Josefa Hlouška, studenta doktorského programu Optika a optoelektronik, jehož podpořený projekt má název Vývoj fotonických zdrojů pro kvantové technologie. O co přesně jde?
Čím se zabývá váš výzkum?
Jako člen Laboratoře kvantové optiky alias QOLO se primárně věnuji testování kvantových aspektů generace a měření s ultraslabými optickými stavy a vývoji specializovaných jednofotonových detektorů světla.
To zní složitě! Jak byste to zjednodušeně popsal úplnému laikovi? Snažíte se vyvinout nové metody detekce světla, protože kvantové jevy nabízejí něco nového…?
V mnoha případech už nám nestačí znát pouze výkon nebo intenzitu světelného záření, ale potřebujeme informaci o počtu fotonů. Fotony jsou nejmenší kvanta (částice) světla. V rámci svého doktorátu jsem vyvinul metodu přesného měření počtu fotonů. Tato detekční technika umožňuje s vysokou přesností zkoumat statistické vlastnosti zdrojů optického záření a kvantifikovat tak kvalitu jejich přípravy. Povahu světelného zdroje určuje právě statistika počtu fotonů. Fotony mohou na detektor přicházet zcela náhodně, shlukovat se a nebo přicházet izolovaně. Této informace se dá využít a rozlišovat tak mezi různými světelnými zdroji a nebo vyvíjet dokonalejší světelné zdroje. Příkladem mohou být zdroje stlačeného světla nebo zdroje kvantově provázaných fotonů. Stlačené světlo umožňuje přesnější měření délek a bylo použito pro zvýšení citlivosti detektorů gravitačních vln. Kvantová provázanost neboli entanglement je čistě kvantově-mechanický jev, je to těsná vazba dvou částic, která daleko přesahuje zákony klasické fyziky. Jedna částice okamžitě reaguje na změnu stavu částice druhé, nehledě na to jak daleko jsou od sebe vzdáleny. Takové stavy světla jsou fyzikálně zajímavé a uplatňují se v moderních komunikacích, především v kvantové kryptografii a při realizaci kvantových počítačů.
Jak jste se dostal ke studiu vašeho oboru a optiky?
Už od základní školy mě fascinovaly zákony přírody. Můj zájem o fyziku a konkrétně optiku podpořili skvělí pedagogové. Během studia na vysoké škole jsem se zapojil do vědeckého týmu a naskytla se mi jedinečná příležitost podílet se na vědeckých projektech, které prohlubují lidské poznání a odhalují doposud nepoznané zákonitosti kvantového světa. Podařilo se mi tak spojit mé nadšení pro fyziku s vykonáváním práce vědeckého pracovníka.
Jak vy osobně vnímáte roli výzkumníka ve společnosti?
Česká věda má dlouholetou tradici a mnoho významných osobností. Lidé se zajímají o to, co všechno už díky vědě dokážeme a co nás ještě v budoucnu čeká. Nepopiratelný růst vlivu moderních technologiípři každodenních lidských činnostech přispívá k tomu, že se vědecký výzkum stále častěji dostává do obecného povědomí společnosti, což podtrhuje jeho důležitost. Aspoň v to doufám. Vím, že budou zaznívat hlasy, že by lidé veřejné peníze investovali raději jinam, ale třeba i oni díky našim vědcům v budoucnu budou používat technologii, která jim usnadní práci, vylepší kvalitu života a zdraví.
Jak vypadá váš projekt realizovaný i díky NF UPOL?
Za pomoci NF UPOL jsem realizoval mezinárodní stáž ve vědeckém týmu prof. Predojević na Stockholmské univerzitě ve Stockholmu, Švédsko. Na vědecké stáži jsem získal odborné znalosti v oblasti fluorescenčníchnanofotonickýchstruktur a jejich využitíke generaci neklasických stavů světla. Navázal jsem spolupráci se členy evropského projektu Hyper-U-P-S s cílem vyvinout polovodičové fluorescenční nanofotonické platformy pro generaci jednofotonových a kvantově provázaných stavů světla pro kvantové technologie. Naskytla se mi také příležitost prezentovat a aplikovat výsledky svého výzkumu, kterému se věnuji v rámci svého doktorského studia na UP.
Kolik lidí se podobnému výzkumu na Univerzitě Palackého věnuje? Probíhá u nás v této oblasti i nějaká spolupráce se soukromým sektorem, nebo jde zatím o čistě akademický zájem?
Nejsem si vědom, že by se na Univerzitě Palackého a nebo i v ČR někdo věnoval návrhu a výrobě takových zdrojů světla. To byl i jeden z důvodů proč jsem aplikoval projekt v rámci výzvy Nadačního fondu UP. Obecně se dá říct, že kvantová kryptografie a kvantové zpracování informace jsou atraktivní témata a kromě Katedry optiky se této oblasti věnuje i Společná laboratoř optiky UP a FZÚ AV ČR. Optika v Olomouci má dlouholetou tradici a za tu dobu si v zahraničí udělala dobré jméno. O tom svědčí i celá řada mezinárodních projektů, na kterých se aktivně podílíme. Za sebe můžu říct, že se na univerzitě věnuji základnímu vědeckému výzkumu bez kterého by však nemohl přijít zájem soukromého sektoru a snaha převedení získaných poznatků do aplikační sféry.
Bylo by možné realizovat váš projekt i bez NF UPOL? Pokud ano, o co byste přišel?
Aby bylo možné realizovat vědecké projekty, je nutné hledat potřebné financování. Aplikace mého projektu ve výzvě NF UPOL byla moje první zkušenost se získáním grantové podpory. Jednalo se přibližně o polovinu nákladů na uskutečnění daného projektu.
Jaké má praktické aplikace či jaké měl praktické aplikace v minulosti/bude snad mít v budoucnosti?
Tohle je snad nejčastější otázka, na kterou stále hledám adekvátní odpověď. Naše práce je zaměřena primárně na základní vědecký výzkum, jehož výsledky posléze naleznou své praktické uplatnění v různých technologických aplikacích. Například existence a dostupnost zdrojů schopných emitovat jednotlivé fotony, entanglované fotonové páry a hyper-entanglované kvantové stavy je nutnou podmínkou k masivnímu rozvoji v oblasti kvantové komunikace. Tyto technologie v první fázi doplní již existující informační síť, posílí její zabezpečení aplikací zákonů kvantové fyziky a v budoucnu zcela změní náš přístup ke zpracování a ochraně informací. S dostupností kvantových počítačů a kvantových komunikací se předpokládá revoluce našeho poznání napříč všemi vědeckými obory.
S kvantovými sítěmi se počítá i pro lepší zabezpečení dat skrze kvantové šifrování. Lze i to propojit s vaším výzkumem?
Kvantové šifrování řeší problém bezpečné distribuce klíčů mezi odesílatelem a příjemcem. Je to již komerčně dostupná technologie, která bezpečnost zašifrované komunikace garantuje přímo zákony kvantové fyziky. Nelze tedy odposlouchávat komunikaci mezi dvěma subjekty aniž by si toho nevšimly. Abychom mohli posílat takto zašifrované zprávy, musíme vytvářet kvantové stavy světla a ty následně měřit jednofotonovými detektory. A této části se právě věnuje výzkum na kterém se podílím.
Co významného by mělo zaznít o vašem oboru, ale obvykle nezaznívá?
Pro naše aplikace je zapotřebí v laboratoři vytvářet a pracovat se světelnými signály na jednofotonové úrovni. Nutno podotknout, že takové zdroje záření se v přírodě nevyskytují. V kvantových technologiích se dostáváme na samotné atomární struktury a do cesty se nám postavily zákony kvantového světa. Motivací do budoucna je tuto fyzickou ba
riéru technologického vývoje obejít tím, že začneme těchto kvantových vlastností částic cíleně využívat. Bohužel se jedná o fyziku mikrosvěta, ve které zákony klasické fyziky známé z přírody kolem nás nelze použít. Veškeré poznání těchto jevů a jejich využití v moderních technologiích vyžaduje čas a geniální nápady vědců. Mám rád přirovnání vývojeve vědě ke skoku do výšky. Sportovec přeskočí 200 cm, ale každý další cm navíc stojí mnohonásobně víc a víc úsilí.
Text: Ladislav Loukota, Vědátor
Vizuál: Katrin Stark, Nadační fond Univerzity Palackého
Fotografie: Vojtěch Duda, archiv Josefa Hlouška
