Teme istraživanja

  1. Generiranje kvantno spregnutih parova fotona

G2D_scheme_LRNa Institutu Ruđer Bošković izgradili smo eksperimentalni postav za tzv. parametarsku konverziju frekvencije koristeći diodini laser na 405 nm kojeg smo sami izradili. Fotografija prikazuje ortogonalni presjek dvaju svjetlosnih konusa koji izlaze iz nelinearnog optičkog kristala beta-barijumborata (BBO). Kvantno spregnuti fotoni izlaze u paru (tzv. Einstein-Podolsky-Rosen, EPR) iz dvaju presjeka. Ovaj uređaj daje oko 40.000 EPR parova u sekundi uz određen stupanj nesavršenosti u kvaliteti sprezanja.

Međutim, za većinu planiranih istraživanja, nužan nam je znatno jači i savršeniji izvor energijski degeneriranih (jednakih) EPR parova, napose za istraživanja u: kvantnoj holografiji, kvantno-koreliranoj mikroskopiji, optičkim rezonatorima, hipersprezanju, super brzoj kvantnoj kriptografiji, generiranju slučajnih brojeva, realizaciji Kochen-Speckerovih skupova, potrazi za skrivenim vektorskim bozonima, itd. Preferirano rješenje je izgraditi izvor u VIS-NIR području valne duljine gdje je naša inovativna tehnologija detekcije postiže najbolje performanse, koristeći dobro poznatu tehniku s polarizacijski alternirajućim nelinearnim optičkim kristalima kao što je PPLN.

  1. Istraživanje poboljšanja tehnika detecije fotona

U našoj skupini imamo svjetski prepoznatu stručnost u izgradnji detektora fotona koji kao senzor koriste lavinske fotodiode u Geigerovom režimu rada. Aktivni smo u razvoju inovativnih detektora (brojača) fotona kao i u istraživanju novih metoda za karakterizaciju istih. Istraživanja kojima se bavimo u CEMS-Fotonici orijentirana su ka istraživanju i korištenju kvantnih svojstava pojedinačnih fotona, dakle, gotovo svi naši eksperimenti ovise o detekciji ili brojanju fotona. U tu svrhu gotovo isključivo koristimo detektore fotona razvijene u našem laboratoriju, koje smo prilagođavamo pojedinoj namjeni.

  1. Holografija

Trenutno se za istraživanja u holografiji uglavnom koriste snažni laserski izvori svjetlosti i CCD kamere za snimanje digitalnih holograma. Mi planiramo proširiti holografske tehnike u dva nova smjera: holografiju s brojanjem pojedinačnih fotona i kvantnu holografiju. Za to će su nam potrebni snažan izvor EPR parova i novi tip poziciono razlučive kamere s pikselima osjetljivim na pojedinačne fotone, a oboje su također predmeti našeg istraživanja.

Dok holografiju koristimo za snimanje i rekonstrukciju kompleksnih trodimenzionalnih valnih fronti, interferometrija omogućuje analizu statičkih i dinamičkih promjena u tim valnim frontama. Obje tehnike, i holografija i interferometrija, prošle su kroz nekoliko razvojnih putova. Jedan put ide od klasičnog do digitalnog pristupa (zamjena foto-emulzija CCD senzorima) što je otvorilo nove mogućnosti kao što je izrada digitalnog holografskog interferometrijskog video filma u boji ili monitoring vibracijskih modalnih struktura u stvarnom vremenu. Drugi razvojni put ide od visokih do fundamentalno najnižih intenziteta rasvjete. U svim spomenutim segmentima članovi naše grupe dali su značajan doprinos. Ovaj drugi put vodi do ultra-niske razine svjetla odnosno do holografije s pojedinačnim fotonima i, za sada hipotetske, kvantne holografije. Uvjeti ultra-niske razine rasvjete nameću izuzetno zahtjevne laboratorijske uvjete i tehnike kao što su: posebni svjetlosni izvori, matrični poziciono razlučivi detektori osjetljivi na pojedinačne fotone itd,  te posebno klimatizirani laboratorijski prostor u potpunosti lišen vibracijskih, elektromagnetskih i ostalih smetnji. Zauzvrat, novi istraživački smjerovi mogli bi osigurati originalna teorijska dostignuća, primjene i izume.

  1. Potraga za bozonima iz skrivenog sektora optičkim tehnikama

Skriveni sektori su skupina fundamentalnih polja koja djeluju između sebe ali imaju vrlo slabo međudjelovanje sa vidljivim svijetom,. Skriveni sektori su uobičajeni sastojci teorija koje proširuju Standardni model, nudeći istovremeno objašnjenje njegovih parametara i hijerarhija. Polja u Standardnom modelu dozvoljavaju kinetičko miješanje između Standardnog modela i skrivenih U(1) polja gdje je bozon (za sada hipotetički) koji pripada dodanoj U(1) grupi nazvan parafotonom. Postoji čitavo bogatstvo teorijskih modela koji pružaju dovoljno slobode da bi opravdali postojanje parafotona sa bilo kojim parametrima koji su dozvoljeni eksperimentalnim opažanjima. Kinetičko miješanje osigurava mehanizam za oscilaciju fotona u laki bozon i nazad koja može biti iskorišten u eksperimentima zasnovanim na njegovom slabom međudjelovanju sa vidljivim svijetom. Taj tip eksperimenta se općenito naziva “prolazak svjetlosti kroz zid”. Ako se foton na jednoj strani zida pretvori u parafoton, on neometano može proći kroz neprozirni zid. Na drugoj strani zida, pod uvjetom da iz stanja parafotona prijeđe u stanje fotona, u odgovarajućem detektoru niskog šuma biti će detektiran foton. Vjerojatnost opažanja signala može biti povećana za nekoliko redova veličina uz korištenje optičkih rezonantnih šupljina sa obe strane zida, što je put istraživanja kojim smo mi krenuli.

  1. Kvantna kriptografija i kvantna komunikacija

Kvantna kriptografija omogućuje potpuno siguran prijenos informacije između dvije točke putem tehnike narastanja prethodno postojećeg “malog” zajedničkog ključa. Do sada je dokazano da je sigurnost kvantnih protokola garantirana zakonima kvantne fizike pa čak i ukoliko oni vrijede samo približno, tj. ukoliko naše poznavanje kvantne fizike nije potpuno. Praktični uređaji za kvantnu kriptografiju već su komercijalizirani (IqQuantitue, Švicarska i MagiQ, USA), ali su za sada daleko od praktičnosti i cijenovne pristupačnosti koja bi omogućila širu upotrebu. Da bi se dobili praktični uređaji potreban je znatan napredak i na fundamentalnoj i na tehnološkoj razini.

Aktivno sudjelujemo u međunarodnom projektu SPACEQuest Europske Svemirske Agencije (ESA) čija je misija ostvarenje  kvantne komunikacije na relaciji Zemlja – Svemir (odnosno Međunarodna svemirska postaja ISS) sa svrhom propitivanja utjecaja gravitacije na kvatno sprezanje i mogućnosti ostvarenja kvantne kriotografije između bilo koje dvije točkena Zemlji (vidi ovdje).

  1. Kvantna slučajnost i kvantna kontekstualnost

Slučajnost ili nasumičnost je neprocjenjiv resurs u mnogim područjima znanstvenih istraživanja i praktičnih primjena, naročito u području kriptografije oja je ključ kompjuterske odnosno ICT iliti cyber sigurnosti. Naime, klasična računala generiraju pseudo-slučajne brojeve koji mogu biti korisni u nekim primjenama, no oni su ipak  fundamentalno deterministički i stoga, barem u načelu, predvidljivi što je pogubno za sigurnost kriptografije. Dokazali smo da je kvantna kriptografija nemoguća bez lokalnih privatnih generatora slučajnih brojeva ili nečeg ekvivalentnog tome. Ima više otvorenih pitanja koja se odnose slučajnost. Kao prvo, nemamo definiciju slušajnosti. Zatim tu je pitanje što je izvor slučajnosti u kvantnoj fizici, je li fundamentalan ili izvedeni fenomen, da li je slučajnst potpuna (prava) ili približna, odnosno postoje li skrivene varijable?

Generatori slučajnih brojeva su jedna od vrućih tema istraživanja u posljednjem desetljeću. Međutim oštar nesrazmjer između broja publikacija (83 patenata godišnje u zadnjem desetljeću, 1418 ukupno, bezbroj znanstvenih članaka) i broja od samo pet ostvarenih praktičnih kvantnih generatora slučajnih brojeva koji se ikada pojavili na jasno pokazuje koncepcijsku i tehničku nezrelost ove grane. Prema našem mišljenju, glavni problemi su nedostatak dokaza slučajnost i neponovljivosti rezultata. Naše istraživanje usmjereno je prema uklanjanju ili premošćavanju tih problema.

Kvantna nasumičnost je također implicitno sadržana u kvantnoj kontekstualnosti. Kvantna kontekstualnost je svojstvo kvantnog sistema da svako njegovo mjerenje ima vrijednost neovisnu od drugih kompatibilnih mjerenja izvedenih na sistemu. Stoga rezultati mjerenja kvantnih sistema ne mogu općenito imati predodređene vrijednosti, a skupovi koji posjeduju maksimalnu neodređenost nazivaju se Kochen-Specker-ovim (KS) skupovima. U tom području već imamo značajnih teorijskih rezultata te ćemo nastaviti teorijska i eksperimentalna istraživanja u tom području.

Istraživanje slučajnosti i principa generiranja slučajnih brojeva vrlo lako može rezultirati novim EU projektima, patentabilnim izumima, suradnjom s malim i srednjim poduzećima (SME) te rješenjima za obrambeni sektor odnosno domovinsku sigurnost.

  1. Skalabilno kvantno računanje i kvantni obnavljači (repeateri)

Kvantno računanje je hipotetska računalna paradigma na čijem se praktičnom ostvarenju intenzivno radi u posljednje vrijeme. Mi razvijamo algebarski formalizam koji bi mogao omogućiti univerzalno kvantno računanje pomoću direktnog prevođenja standardnog formalizma Hilbertovog prostora u algebarske kvantne protokole s ugrađenim eksponencijalnim ubrzanjem računanja za određene specijalne klase matematičkih problema.

Usko povezana s time je i mogućnost ostvarenja kvantnog obnavljanja (quantum repeater) koje bi omogućilo bitno povećanje dometa kvantne kriptografije.

 

Fotonika i kvantna optika

Misija Istraživačke jedinice za fotoniku i kvantnu optiku Centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore (CEMS-Fotonika) je izvođenje temeljnih istraživanjima u području fotonike i kvantnih efekata u neliearnoj optici te promocija fotonike i optike u Republici Hrvatskoj.

Glavni istraživački interesi naše grupe su: kvantno sprezanje, kvantna kriptografija, holografija u uvjetima niske razine svjetla, foton-bozon interakcija, kvantno računanje, kvantna slučajnost te razvoj tehnologije novih detektora i izvora svjetlosti.

Originalnost našeg pristupa je u korištenju kvantnih efekata, poput emisije i detekcije pojedinačnih fotona ili kvantnog sprezanja, kao ključnih alata u traganju za odgovorima na neka od važnih otvorenih pitanja u području fotonike i kvantne fizike. U fokuse našeg istraživanja spadaju: sigurnost i domet kvantne kriptografije, holografija objekata koji ne reflektiraju svjetlo, potraga za skrivenim bozonskim česticama izvan Standardnog Modela čestica, generiranje slučajnih brojeva, kvantno računanje i kvantno-potpomognuto računanje. Pri izvođenju pokusa koristimo razne fotoničke tehnike: inovativne detektore fotona koje sami razvijamo, pulsne izvore laserskog svjetla, jednostruke i dvostruke Fabry-Perot rezonatore, stabilizirane kontinuirane jednomodne lasere, femtosekundnu spektroskopiju, laersko pisanje te nelinearne efekte u homogenim ili periodičnim nelinearnim kristalima.

Ambiciozni istraživački program CEMS-Fotonike obuhvaća teme koje su na samoj znanstvenoj fronti znanstvenih istraživanja i imaju izvanredan potencijal za nova znanstvena otkrića i generiranje novih tehnologija, inovativnih metoda i uređaja s praktičnim primjenama.