Světlo provází lidstvo už od nepaměti. Dlouho jsme ho ale chápali jen jako vlnění nebo proud částic, které mají pár základních vlastností. Moderní kvantová fyzika teď ukazuje, že jeden jediný foton může mít mnohem bohatší vnitřní strukturu. A právě to otevírá cestu k technologiím, které ještě před pár lety patřily do oblasti teorie.

Mezinárodní tým fyziků včetně výzkumníků z katalánské univerzity UAB a univerzity ve Witwatersrandu v Jižní Africe publikoval v časopise Nature Photonics rozsáhlý přehled vývoje takzvaného kvantově strukturovaného světla. Jde o oblast, která spojuje kvantovou mechaniku s přesným tvarováním světelných vln v prostoru i čase. Výsledkem nejsou obyčejné paprsky, ale fotony, které mají vnitřní uspořádání schopné nést mnohem víc informací než klasické světlo.

Zdroj: Shutterstock

Když má foton víc než dva stavy

V běžných kvantových technologiích se pracuje s qubity, tedy systémy, které mohou být v superpozici dvou stavů. U světla to typicky znamená třeba dvě polarizace. Nový přístup ale využívá více vlastností fotonu současně. Kromě polarizace také jeho prostorový tvar nebo frekvenci. Tím vznikají takzvané qudity, kvantové stavy s více než dvěma rozměry.

Na první pohled jde o abstraktní pojem, v praxi to ale znamená, že jeden jediný foton dokáže nést mnohonásobně více informace. V kvantové komunikaci to přináší zásadní výhodu. Nejen že se zvyšuje přenosová kapacita, ale roste i bezpečnost. Čím složitější je kvantový stav, tím obtížnější je ho nepozorovaně odposlouchávat nebo rušit.

Strukturované světlo také umožňuje vést více komunikačních kanálů současně na stejné optické trase. V prostředí plném šumu nebo rušení, například v městských sítích, to znamená stabilnější a spolehlivější přenos. Podobný efekt má i v kvantových výpočtech, kde složitější kvantové stavy usnadňují tvorbu algoritmů a zrychlují některé typy výpočtů.

Od mikroskopů po simulace molekul

Dopad nové technologie nekončí u přenosu dat. Kvantově strukturované světlo se už dnes používá v zobrazovacích metodách, které by byly se standardní optikou nemyslitelné. Jedním z příkladů je holografický kvantový mikroskop. Ten dokáže zobrazovat velmi jemné biologické struktury s minimálním zatížením pro vzorek. To je důležité například při studiu živých buněk nebo citlivých tkání.

Další oblastí je metrologie, tedy extrémně přesné měření. Díky kvantovým korelacím mezi fotony mohou senzory dosahovat citlivosti, která se blíží fyzikálním limitům. To má význam v navigaci, v detekci slabých signálů nebo v základním výzkumu.

Strukturované světlo se také používá jako nástroj pro simulaci složitých kvantových systémů. Fyzici pomocí něj dokážou modelovat chování molekul nebo materiálů v prostředích, která by byla na běžných počítačích prakticky neřešitelná. Takové simulace mohou pomoci při vývoji nových látek, katalyzátorů nebo léků.

Profesor Andrew Forbes, který vede jednu z klíčových výzkumných skupin v této oblasti, popisuje vývoj posledních dvou dekád jako dramatický. Ještě před dvaceti lety měli vědci k dispozici jen velmi omezené nástroje pro tvarování kvantového světla. Dnes existují kompaktní zdroje na čipu, které dokážou vytvářet a řídit složité kvantové stavy s vysokou přesností.

Přesto zůstávají otevřené problémy. Jedním z nich je dosah. Strukturované světlo, a to jak klasické, tak kvantové, se zatím obtížně přenáší na velké vzdálenosti bez ztrát. Podle Forbesova týmu je to ale spíš výzva než překážka, protože nutí výzkumníky hledat nové způsoby, jak kvantové informace do světla kódovat.