Grantová agentura České republiky Část ZC Rozbor řešení grantového projektu a celkové shrnutí Jméno řešitele: Doc. RNDr. Tomáš Opatrný, Dr. Registrační číslo projektu: 202/05/0486 Název projektu: Příprava kvantově provázaných stavů a zpracování kvantové informace v atomárních systémech 1 Hlavní výzkumná témata a výsledky Práce byly v prvním roce zaměřeny převážně na následující oblasti: 1.1 Kvantová paměť pro světlo Kvantová paměť je zařízení sloužící k uchování kvantového stavu neseného světlem v jiném médiu a má velký význam pro zpracování kvantové informace. Během řešení projektu jsme se soustředili na několik aspektů problematiky atomární paměti: Hledali jsme způsob využití více spinových stupňů volnosti atomů. Pro dosažení tohoto cíle bylo nutno najít vhodný způsob interakce mezi světelným pulsem a magnetickým momentem atomů v těchto kvantových stavech. Při řešení se ukázalo mimo jiné i to, že nalezená interakce by měla být mnohem výhodnější pro rychlý přenos informace mezi atomárním systémem a světlem než v doposud využívaných procesech. Výsledky byly opublikovány v časopise Physical Review Letters [1]. Hledali jsme způsob, jak usnadnit čtení z atomové paměti. Ve spolupráci s kodaňskou skupinou jsme navrhli zjednodušený způsob čtení paměti, kdy výsledný stav světla sice není identický s původním stavem atomů (čtení není zcela přesné), nicméně jejich shoda je výrazně vyšší, než by dovolovaly klasické způsoby přepisu. V tomto případě postačí jediný průchod pulsu atomárním médiem, aniž by bylo zapotřebí využít zpětnovazebních prvků. Tyto výsledky jsou publikovány v článku [2]. Další článek [3] řeší problematiku zápisu a čtení qubitu v makroskopických atomárních souborech. Dosavadní systémy atomární paměti pracují se dvěma nádobkami s atomy v magnetickém poli, přičemž v každé nádobce mají atomy jinou polarizaci. Cílem této úpravy je snížení technických šumů. Navrhli jsme způsob, jak opticky čerpat atomy tak, aby v jediné nádobce byly zastoupeny atomy s jednou i druhou polarizací a jak tohoto zjednodušeného systému využít při operacích čtení a zápisu kvantové informace nesené světlem [4]. 1.2 Kvantově provázané stavy mezi vnějšími a vnitřními stupni volnosti atomů Tato část výzkumu probíhala ve spolupráci se skupinou prof. G. Kurizkého na Weizmannově institutu v Izraeli. Na této části se nejvýrazněji podílel doktorand Michal Kolář. Výzkum se zabýval novým pohledem na částicově-vlnový dualismus u částic nesoucích vnitřní stupně volnosti, které jsou korelované (kvantově provázané, entanglované) s pohybovými stupni volnosti. 1
Navrženým translačně-interně entanglovaným (TIE) stavům jsou věnovány čtyři publikace. Články [5] a [6] ilustrují základní vlastnosti TIE stavů, které umožňují zdánlivě obejít limity dané standardními relacemi komplementarity: můžeme detekovat fázi v interferometru a přitom velice spolehlivě určit i dráhu, kterou se částice pohybovala. Ukázalo se, že v navrženém schématu neplatí obecně užívaný vztah mezi rozlišitelností drah v interferometru a viditelností interferenčních proužků. Další dva články [7] a [8] diskutují možnosti experimentální realizace těchto stavů. 1.3 Adiabatické čerpání polohy atomů Výzkum probíhal ve spolupráci s prof. Kunalem Dasem z Fordham University, který dvakrát navštívil olomoucké pracoviště. Jde o problematiku, která souvisí s otázkami čerpání elektronů v piezoelektrických krystalech, jimiž se šíří akustická vlna. Tato vlna vytváří pohybující se periodický potenciál, který se překrývá přes potenciál mřížky, a umožňuje transport elektronů bez jakéhokoliv vnějšího napětí. Podobné efekty lze očekávat i u atomů v překrývajících se optických mřížkách. V tomto případě jde o komplikovanější druhy pohybů než prosté unášení atomů pohybujícím se polem - v některých případech může být např. atom v určitém kvantovém stavu čerpán opačným směrem, než je směr pohybu vnějšího pole. Po jistou dobu se na řešení této problematiky podílel i student bakalářského studia Petr Váňa, který zpracoval numerické výpočty vývoje atomárních stavů. V současné době se připravuje k odeslání článek [10]. 1.4 Další problémy související s kvantově provázanými stavy Projekt v tomto případě souvisel s dalšími projekty našich pracovišť, v našem případě šlo o výzkum stavů užitečných pro kvantovou kryptografii, jehož výsledky byly shrnuty v přehledovém článku v Progress in Optics [9]. Doktorandka Lucie Bartůšková, které byl z projektu financován pobyt na univerzitě v Římě, dosáhla velmi zajímavých experimentálních výsledků při přípravě programovatelného diskriminátoru koherentních stavů a při realizaci hradla SWAP; výsledky jsou předloženy k publikaci do časopisů Physical Review Letters a Physical Review A. 2 Hlavní výlohy projektu Z projektu byly hrazeny hlavně zahraniční cesty a spolupráce se zahraničními pracovišti, z ostatních výdajů byly nejdůležitější pořízené knižní publikace a osobní náklady na odměny řešitelského týmu a na OON studentů. 2.1 Zahraniční cesty hrazené z projektu Konference International Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations, 2.5.- 6.5. 2005, Besancon, Francie. T. Opatrný a M. Kolář (doktorand); prezentován poster [11]. Studijní pobyt na Weizmannově institutu, 28.5. - 18.6. 2005, Rehovot, Izrael. M. Kolář, spolupráce s prof. G. Kurizkim, příprava publikací [5, 7]. Konference Central European Workshop on Quantum Optics, 5.6.-9.5. 2005, Ankara, Turecko (Aleš Hendrych). Navazování mezinárodních kontaktů v oblasti kvantové informatiky. 2
Pracovní pobyt na St. Andrews University, 24.6.-9.7. 2005, Skotsko. T. Opatrný, spolupráce s Dr. N. Korolkovou a prof. U. Leonhardtem. Získány hlavní výsledky pro práci [4]. Pracovní pobyt na Institutu Nielse Bohra, 9.11.-12.11. 2005, Kodaň, Dánsko. M. Dušek, J. Fiurášek a A. Hendrych. Spolupráce s prof. E. Polzikem - otázky kvantové paměti pro světlo. Konference The 3rd Workshop on Decoherence, Entanglement and Information in Complex Systems (DEICS III) and theworkshop on Quantum Dynamics of Cold Atoms and Light (QUDAL), 26.2. až 3.3. 2006, Eilat, Israel (Tomáš Opatrný: částečně hrazeno z GAČR - letenka, částečně zahraniční stranou - ubytování; Michal Kolář - plně hrazeno zahraniční stranou). Prezentována přednáška [12] a poster [14]. Konference CVQIP (continuous variables quantum information processing) v Kodani, Dánsko, 19. až 22. 5. 2006 (Tomáš Opatrný). Prezentován poster [15] Konference ICAP 06 (The 20th International Conference on Atomic Physics) v Innsbrucku v Rakousku, 16.7. až 21.7. 2006 (Tomáš Opatrný). Pobyt prof. Kunala Dase z Fordham University na PřF UP v Olomouci, 8. 6. až 22. 8. 2006. Přednáška na téma Quantum pumping of electrons, atoms and entangled pairs, spolupráce na problematice manipulací atomů pomocí kvantového čerpání. Pobyt na Fordham University, New York, USA, 25.8. až 9.9. 2006 (Tomáš Opatrný). Prezentována přednáška [13]. Konference IAMPI 2006 (International Conference on the Interaction of Atoms, Molecules and Plasmas with Intense Ultrashort Laser Pulses), Szeged, Maďarsko, 1.10. až 5.10. 2006 (Michal Kolář). Pobyt na univerzitě La Sapienza, Řím, Itálie, 6. až 26. 11. 2006 (Lucie Bartůšková). Spolupráce doktorandky na experimentu, který se týkal ověřování vlastností nového typu detektoru ve skupině prof. DeMartiniho. Součástí experimentu byla i justáž zdroje entanglovaných párů a Hong-Ou-Mandelova interferometru. Výsledky jsou předloženy k publikaci. Pobyt na Institutu experimentální fyziky Vídeňské univerzity, Rakousko, 29.11 až 9.12. 2006 (Miroslav Kovařík). Pracovní pobyt doktoranda na experimentálních pracovištích zabývajících se molekulární interferometrií (Talbotův-Lauův interferometr) a optickým zachycováním atomů. Konference ICSSUR 2007, Bradford (UK) 29.3. až 5.4. 2007 (Michal Kolář). Prezentována přednáška [16]. Summer Workshop on Chemical and Statistical Physics, Casper, Wyoming (USA) 15.-21.6. 2007 (T. Opatrný). Prezentována přednáška [17]. Pobyt prof. Kunala Dase z Fordham University na PřF UP v Olomouci, 18.6.-21.8. 2007. Přednáška na téma Using Fokker-Planck equations to study Bio-signaling: A first passage time approach, spolupráce na problematice manipulací atomů pomocí kvantového čerpání. Konference ICQIPC Barcelona, 14.-19.10. 2007 (T. Opatrný, J. Fiurášek). Prezentována přednáška [18]. 3
Pracovní pobyt na INFM-BEC v Trentu (Itálie), 4.-10.11.2007 (Michal Kolář). Prezentována přednáška [19]. Konference Coherence, Decoherence and Entanglement of non-degenerate Massive Quantum Systems, Vídeň, Rakousko, 5.-7.10. 2007 (T. Opatrný). Prezentována přednáška [20]. Pracovní pobyt na Weizmannově institutu v Rehovotu (Izrael), skupina prof. G. Kurizkého, 29.11. až 9.12.2007 (T. Opatrný a M. Kolář). Spolupráce na problematice TIE stavů. 2.2 Spotřební materiál hrazený z projektu Bylo pořízeno celkem 49 titulů zahraničních odborných knih v celkové částce 72 tis. Kč. Ostatní materiál zahrnoval kancelářský papír, baterii do notebooku, počítačové myši a jiné drobnosti. 3 Aktivity studentů Michal Kolář, studnet DSP Obecná fyzika a matematická fyzika (od r. 2003), školitel T. Opatrný. Téma disertační práce Kvantově informatické procesy v reálných systémech. Na projektu působil ze všech studentů nejaktivněji, v jeho rámci je spoluautorem čtyř publikací (mimo něj ještě dvou dalších). V současné době má splněny všechny požadavky kromě obhajoby disertační práce; tu nyní sepisuje. Z projektu hrazena OON, později odměny. V rámci projektu byl na studijním pobytu na Weizmannově institutu v Izraeli (28.5. - 18.6. 2005, částečně hrazeno zahraniční stranou), na konferenci International Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations (2.5.-6.5. 2005, Besancon, Francie), kde presentoval poster, na konferenci DEICS III a QUDAL (26.2.-3.3. 2006, Eilat, Izrael), kde presentoval poster, na konferenci IAMPI 2006 (International Conference on the Interaction of Atoms, Molecules and Plasmas with Intense Ultrashort Laser Pulses, Szeged, Maďarsko, 1.10. až 5.10. 2006), na konferenci ICSSUR 2007 (29.4.-5.4. 2007 Bradford, UK), kde prezentoval přednášku Orbital angular momentum single-photon interferometry with whichpath detection, na studijním pobytu na INFM-BEC v italském Trentu (4.11.-10.11. 2007), kde prezentoval přednášku se stejnou tematikou, a na studijním pobytu na Weizmannově institutu v Izraeli (29.11.-9.12. 2007). Aleš Hendrych, původně studnet DSP Obecná fyzika a matematická fyzika (od r. 2004), později přestoupil na Aplikovanou fyziku. Zpočátku se podílel na výpočtech souvisejících s atomární kvantovou pamětí pro světlo. Z projektu mu byla hrazena OON a účast na konferenci Central European Workshop on Quantum Optics (5.6.-9.5. 2005, Ankara, Turecko) a studijní pobyt na Institutu Nielse Bohra (9.11.-12.11. 2005, Kodaň, Dánsko). Lucie Bartůšková, studentka DSP Optika, školitel M. Dušek, věnuje se experimentální práci v kvantové optice a informatice. Z projektu hrazen pobyt na univerzitě La Sapienza, Řím, Itálie, 6. až 26. 11. 2006. Získala zde zkušenosti, které uplatnila při svých nových experimentech v Olomouci. Miroslav Kovařík, studnet DSP Obecná fyzika a matematická fyzika (od r. 2005), školitel Z. Hradil. Z projektu hrazen pobyt na Institutu experimentální fyziky Vídeňské univerzity, Rakousko, 29.11 až 9.12. 2006. Stáž na experimentálních pracovištích zabývajících se molekulární interferometrií (Talbotův-Lauův interferometr) a optickým zachycováním atomů. Dále hrazena OON (výpočty související s kvantovou pamětí pro světlo). 4
Michal Mičuda, student DSP Optika, experimentální práce v kvantové optice, z projektu hrazena OON. Lukáš Slodička, student magisterského oboru Optika a optoelektronika, experimentální práce v kvantové optice, z projektu hrazena OON. Petr Váňa, student bakalářského oboru Optika a optoelektronika, numerické výpočty kvantového čerpání polohy atomů, z projektu hrazena OON. 4 Seznam výstupů [1] T. Opatrný and J. Fiurášek, Enhancing the capacity and performance of collective atomic quantum memory. Phys. Rev. Letters 95, 053602 (4 pp.) (2005). [2] J. Fiurášek, J. Sherson, T. Opatrný, and E.S. Polzik, Single-passage read-out of atomic quantum memory. Phys. Rev. A 73, 022331 (8 pp.) (2006). [3] J. Sherson, A. S. Soerensen, J. Fiurášek, K. Mølmer, and E. Polzik, Light qubit storage and retrieval using macroscopic atomic ensembles. Phys. Rev. A 74, 011802(R) (4 pp.) (2006). [4] T. Opatrný, Single-cell atomic quantum memory for light. Phys. Rev. A 74, 043809 (5 pp.) (2006). [5] M. Kolář, T. Opatrný, N. Bar-Gill, and G. Kurizki, Betting on interferometric paths and phases using translational-internal entanglement: the greedy king game. International Journal of Modern Physics B 20, 1390-1398 (2006). [6] G. Kurizki, N. Bar-Gill, J. Clausen, M. Kolář, and T. Opatrný, Cheating on Complementarity and Interference by Translational-Internal Entanglement. Quantum Information Processing 5, 463-479 (2006). [7] M. Kolář, T. Opatrný, N. Bar-Gill, N. Erez, and G. Kurizki, Path-Phase Duality with Intraparticle Translational-Internal Entanglement. New J. Phys. 9, 129 (14 pp.) (2007). [8] M. Kolář, T. Opatrný, and G. Kurizki, Path and Phase Determinationfor an Interfering Photon with Orbital Angular Momentum. Optics Letters 33, 67 (3 pp.) (2008). [9] M. Dušek, N. Lütkenhaus, M. Hendrych, Quantum Cryptography. In: Progress in Optics, vol. 49, Ed. E. Wolf 381-454 (2006). [10] K.K. Das and T. Opatrný What is Quantum in Quantum Pumping: The Role of the Phase and Asymmetries. V přípravě před odesláním. Prezentace: [11] M. Kolář, T. Opatrný, N. Bar-Gill, and G. Kurizki, Interference and which-path: a mean king game. Poster prezentovaný na konferenci ICSSUR 05 v Besancon. [12] T. Opatrný, Enhancing atomic quantum memory for light. Přednáška na konferenci DEICS III a QUDAL, 26.2.-3.3. Eilat, Israel. [13] T. Opatrný, Quantum information, quantum computers and cryptography. Přednáška na Fordham University, New York, USA, 7. 9. 2006. 5
[14] M. Kolář, T. Opatrný, N. Bar-Gill, and G. Kurizki, Anomalies of Wave-particle Duality due to Translational-Internal Entanglement (TIE). Poster prezentovaný na konferenci DEICS III a QUDAL, 26.2.-3.3. Eilat, Israel. [15] T. Opatrný, Enhancing the capacity and performance of collective atomic quantum memory for light. Poster prezentovaný na konferenci CVQIP 19.- 22. 5. 2006 Kodaň, Dánsko. [16] M. Kolář, Orbital angular momentum single-photon interferometry with which-path detection. Přednáška prezentovaná na konferenci ICSSUR 2007, Bradford (UK) 29.3. až 5.4. 2007. [17] T. Opatrný, Physics of Franck-Condon Coefficients. Přednáška prezentovaná na Summer Workshop on Chemical and Statistical Physics, Casper, Wyoming (USA) 15.-21.6. 2007. [18] J. Fiurášek, Distillation and Purification of Phase-Diffused Squeezed States of Light. Přednáška prezentovaná na konferenci QIPC 2007, Barcelona (Španělsko), 14.-19.10. 2007. [19] M. Kolář, Orbital angular momentum single-photon interferometry with which-path detection. Přednáška prezentovaná na INFM-BEC v Trentu (Itálie), 4.-10.11.2007. [20] T. Opatrný, Path-phase duality of an interfering particle with translational-internal entanglement. Přednáška prezentovaná na konferenci Decoherence and Entanglement of non- Degenerate Massive Quantum Systems, Vídeň, Rakousko, 5.-7.10. 2007. 6