Objavljen rad u časopisu Applied Surface Science te prijavljen patent

Znanstvenici Laboratorija za molekulsku fiziku i sinteze novih materijala IRB-a, doktorand Vlatko Gašparić mag. phys., dr. sc. Davor Ristić, dr. sc. Hrvoje Gebavi i dr. sc. Mile Ivanda objavili su u prestižnom časopisu Applied Surface Science (IF: 6.182) rad pod naslovom “Resolution and signal enhancement of Raman mapping by photonic nanojet of a microsphere”.

Fizičari objavili rad u časopisu Applied Surface Science te prijavili patent

U radu se po prvi puta primijenilo svojstvo tzv. fotonskog nanomlaza za pojačanje rezolucije i signala mapiranja u Ramanovoj spektroskopiji pomoću mehanički učvršćene mikrosfere, a konstruirana izvedba učvršćene mikrosfere prijavljena je i kao patent.

Ramanova spektroskopija nezaobilazna je metoda karakterizacije tvari u laboratoriju i na terenu, no zbog malog udarnog presjeka Ramanovog raspršenja, odziv je vrlo slabog intenziteta. Stoga su razvijene brojne metode pojačanja ove spektroskopske tehnike, od kojih je među najnovijima metoda koja koristi fotonski nanomlaz mikrosfere.

Fotonski nanomlaz (photonic nanojet – PNJ) izrazito je uzak i intenzivan snop svjetlosti koji nastaje uslijed obasjavanja dielektrične mikrosfere laserskim snopom ili ravnim valom svjetlosti. PNJ je zadobio pozornost znanstvenika od 2004. godine i našao je primjenu u raznim područjima. Da bi se iskoristio kao metoda pojačanja Ramanovog raspršenja pod mikroskopom, mikrosfere odgovarajućeg materijala i veličine potrebno je dovesti na površinu uzorka koji se istražuje te fokusirati upadni laserski snop iz mikroskopskog objektiva odgovarajuće širine i valne duljine kroz mikrosferu na uzorak.

Mikrosfere se deponiraju na uzorak kapanjem na podlogu, čime se njihove lokacije ne mogu kontrolirati. Međutim, na taj način moguće je prikupiti spektre samo izoliranih lokacija uzorka točno ispod mikrosfera.

Rad fizičara predstavlja novi pristup i izvedbeno rješenje u kontroliranju lokacije mikrosfere, na način da se mikrosfera pričvrsti na vrh stanjenog optičkog vlakna koje je stabilizirano drugim, okomito pričvršćenim stanjenim vlaknom, a pozicija se regulira mikropozicijskim podijima.

doktorand Vlatko Gašparić mag. phys., dr. sc. Davor Ristić, dr. sc. Hrvoje Gebavi i dr. sc. Mile Ivanda

doktorand Vlatko Gašparić mag. phys., dr. sc. Davor Ristić, dr. sc. Hrvoje Gebavi i dr. sc. Mile Ivanda

Inovacija je nazvana Two stemmed microsphere (TSMS). Korištenjem učvršćenja mikrosfere TSMS izvedbom, izbjegava se onečišćenje uzorka kapanjem tisuća mikrosfera, a mikrosferu je moguće dovesti na bilo koje mjesto na uzorku te održati pod upadnim snopom dok se uzorak pomiče. Drugim riječima, omogućuje se korištenje pojačanja fotonskog nanomlaza za ramansko mapiranje.

Rezultati istraživanja pokazali su tri puta bolju rezoluciju mapiranih površina, te četiri puta jači intenzitet signala spektara korištenjem TSMS-a s kvarcnom mikrosferom promjera 5 µm, u odnosu na isti eksperimentalni postav bez učvršćene mikrosfere. Eksperimentalna saznanja podržana su analitičkim simulacijama, za što su autori razvili računalni program na temelju Generalizirane Lorenz-Mie teorije upada laserske gausijanske zrake na mikrosferu. TSMS inovacija, te povezane varijante kontroliranja mikrosfere, prijavljene su i kao patent Državnom zavodu za intelektualno vlasništvo Republike Hrvatske.

Navedeni rezultati otvorili su novi put na području mapiranja u Ramanovoj spektroskopiji, čime je stvoren temelj za daljnje usavršavanje i usvajanje TSMS inovacije, kao i drugih inovacija za kontroliranje mikrosfere i upotrebe fotonskog nanomlaza.

A trusted node-free eight-user metropolitan quantum communication network, Science Advances, 2 September 2020

Kvantni fizičari CEMS Fotonike s Instituta Ruđer Bošković (IRB) dio su međunarodnog tima znanstvenika koji je otkrio i eksperimentalno realizirao kvantnu komunikacijsku mrežu s više korisnika koju je nemoguće špijunirati. Ovo otkriće veliki  je korak prema potpuno sigurnoj i zaštićenoj mrežnoj komunikaciji. Rezultati ovog značajnog znanstvenog otkrića objavljeni su u prestižnom znanstvenom časopisu Science Advances.

Umjetnički doživljaj kvantne mreže (Anta Bučević, vizualni dizajner).

Participation on “1st Physics or Physicists (P4P) Students Conference”

Studentica diplomskog studija fizike Mateja Batelić sudjelovala je na “1st Physics or Physicists (P4P) Students Conference” koja se održala od 3. do 6. listopada u Skopju. Na konferenciji je prezentirala rad napravljen u sklopu istraživačke jedinice Fotonika i kvantna optika Znanstvenog centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore pod nazivom “Neuronal pulse computing”.

Sudjelovanje na Humboldt-Kolleg skupu u Zagrebu

Doktorand Matej Peranić te studentica fizike Mateja Batelić sudjelovali su na Humboldt-Kolleg skupu naziva “Science and educational challenges facing Europe in the next decade” koji se održao u organizaciji Kluba hrvatskih humboldtovaca, uz suorganizaciju Sveučilišta u Zagrebu i Hrvatske akademije znanosti i umjetnosti tijekom 10. i 11. listopada u Zagrebu. Svoje radove napravljene u sklopu istraživačke jedinice Fotonika i kvantna optika Znanstvenog centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore su predstavili posterima pod nazivima Experimental generation of quantum entanglement and testing fundamentals of quantum physics i Improved circuits for a biologically-inspired random pulse computer.

Sudjelovanje na 7. međunarodnoj konferenciji OPTICS-2019 i nagrada za najbolje usmeno izlaganje

Na 7. međunarodnoj konferenciji Optika i njene primjene (OPTICS-2019, http://www.ift.uni.wroc.pl/~optics2019/) koja se održala od 20. do 24. rujna u Jerevanu, Armenija sudjelovao je član istraživačke jedinice Fotonika i kvantna optika Znanstvenog centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore, doktorand Matej Peranić. Za svoju prezentaciju pod nazivom “The source of polarization entangled pairs of photons and testing Bell’s inequality” dobio je nagradu za najbolje studentsko usmeno izlaganje.

Automated generation of Kochen-Specker sets

Quantum contextuality arguably plays an important role in the field of quantum communication and quantum computation, and in our paper in Scientific Reports (Nature journal; IF 4.122) Mladen Pavičić, Mordecai Waegell, Norman D. Megill and P.K. Aravind, “Automated generation of Kochen-Specker sets,” Scientific Reports,” 9, 6765 (2019) we focus on automated vector-component generation of the most explored and used contextual configurations—the so-called Kochen-Specker (KS) sets. They are represented by hypergraphs whose very structure delimit quantum contextuality from classical noncontextuality. When they can be assigned definite predetermined values, e.g., 0 and 1, as in classical computation, they are noncontextual, and when they cannot be assigned predetermined values, as in quantum computation, they are contextual and possess the KS property and become KS sets.

Since quantum contextuality turns out to be a necessary resource for universal quantum computation it becomes important to generate contextual sets of arbitrary structure and complexity to enable a variety of implementations. Up to now, two approaches have been used for massive generation of non-isomorphic KS sets: exhaustive generation up to a given size and downward generation from big master sets. The former faces low computational limits due to the exponential complexity of hypergraph generation and of finding their coordinatization. On the other hand, the latter masters were obtained together with their coordinatization but from serendipitous or intuitive connections with polytopes or Pauli operators or already known masters in lower dimensions. These masters, which we explored in our previous paper Pavičić, M., Physical Review A, 95, 06212 (2017), therefore provide us with a random choice of KS sets and their coordinatization. But what we need for implementations and applications is a method of finding KS sets for a coordinatization of our choice.

In order to find a solution to this problem we turned it upside-down. Instead of searching for vectors we might assign to chosen masters, we generate masters from basic vector components via automated sweeping through simplest of them, starting, e.g., from {-1,0,1} or {-i,0,i}. Next, we elaborate on features, algorithms, and methods which not only speed up the search for KS sets almost exponentially, but also enable arbitrary exhaustive generation of KS sets and their classes.

In the figure below we can see how much more superior our new method is, with respect to the previous ones, e.g. (a), where a master hypergraph with 60 vertices and 105 edges was obtained via Pauli operators. When we use the same vector components as in (a) we get a huge master hypergraph with 688 vertices and 1305 edges which contais a 432-1177 KS master hypergraph and sixteen 16-8 non-KS hypergraphs as shown in (f). Even when we drop the 5th component (+2), we still get a bigger KS master hypergraph (c) then the original (a).

 

 

 

 

 

 

 

Quantum entanglement of photons and Bell theorem test at CEMS

Sadržaj nije dostupan na hrvatskom For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Photonics and Quantum Optics Research Unit of Center of Excellence for Advanced Materials and Sensors at the Ruđer Bošković Institute announces realization and measurement of quantum entanglement of photon pairs. The experimental setup is schematically shown in the figure. A 405 nm wavelength purple laser beam is fed into Sagnac interferometer containing a periodically-poled crystal of potassium titanil-phosphate (PPKTP), schematically shown below on the left. The actual setup is shown on the right. Thanks to the nonlinear optical nature of the crystal and the specifically selected orientation of its lattice axes, some of the purple photons undergo a process of spontaneous parametric downconversion and thus split into a pair of infrared photons that are quantum entangled in polarization. Quantum entanglement of photons was evaluated in two ways.

 

First, we measured correlation of polarization of paired photons. To that end, each photon is sent to one of the polarization-measuring stations, named Alice and Bob. The actual setup is shown below. Alice and Bob are each realized as a polarizer mounted on computer-controlled, motorized mount, followed by an optical-fiber-coupled photon detector, as shown in the photo of the actual setup.

Alice can measure polarization along one of 4 special orientations (horizontal (H), vertical (V), diagonal (D) and anti-diagonal (A)). For each of the Alice’s orientations, Bob rotates his polarization analyzer for a full circle and they evaluate probability of measuring a photon polarization along their respective orientation, as a function of Bob’s analyzer angle. The probability forms a sinusoidal fringe, as shown in the figure below. Visibility greater than 50% for all 4 fringes is not possible if photons in a pair have predetermined polarizations. On the other hand, if photons are entangled, then visibility of all 4 fringes can reach the theoretical maximum of 100%. With our source we have obtained: V= (99,8 +/- 0,6) %, V= (99,7 +/- 0,4) %, V= (98,5 +/- 0,4) %, V= (98,3 +/- 0,4) %, as shown in the figure, which indicates near-maximal entanglement of photons.

We also used the Bell’s theorem and performed measurement of Clauser, Horne, Shimony, Holt (CHSH) parameter S, to test the CHSH form of Bell’s inequality. Classical physics predicts S ≤ 2, while quantum physics allows 2 < S ≤ 2√2  2.828. We have experimentally obtained the value of S = 2,803 +/- 0,007 which is more than 114 standard deviations greater than the maximum value of 2 allowed by classical physics, again indicating the near-maximal entanglement.

These results demonstrate the non-local behaviour of quantum-entangled photon pairs, which is that the measurement of polarization performed on one photon has an immediate impact on the result of measurement of polarization on the other photon.

Pregled organiziranih i buducih konferencija

Laboratorij za interakcije ionskih snopova ima bogato iskustvo organiziranja međunarodnih znanstvenih skupova iz područja razvoja i primjena metoda analize i modifikacije materijala, kao i povezanih akceleratorskih i detektorskih tehnologija. Od formiranja Znanstvenog centra izvrsnosti CEMS, u sklopu istraživačke jedinice: Fizika i tehnologija ionskih snopova organizirano je ili je u planu organizacije niz istaknutih međunarodnih skupova.

Continue reading