Fyzikální ústav Akademie věd ČR

V roce 2005 byla udělena Nobelova cena R. Glauberovi, J. Hallovi a T. Honschovi za výsledky dosažené při budování základů kvantové optiky. Letos se dostalo uznání výsledkům komunity fyziků bádajících v oblasti atomové a kvantové optiky opět. Nobelovský výbor totiž ocenil celoživotní výsledky S. Harocheho a D. J. Winelanda, kteří se zabývali interakcí kvantových optických polí s jednotlivými atomy. Oba vědci po celý život rozvíjeli a zdokonalovali metody umožňující manipulovat s jednotlivými částicemi látky i fotony, chránit je před rušivým vlivem okolí a provádět fyzikální měření na těchto kvantových objektech. Mistrovské zvládnutí těchto metod jim umožnilo studovat tzv. kvantové superpoziční stavy, které nemají analogii v klasické fyzice a jsou zodpovědné za ryze kvantové chování mikroskopických objektů. Zatímco S. Haroche studoval takové stavy ve slabých optických polích, D. J. Wineland se zaměřoval na superpoziční stavy nabitých iontů. Oba ve svých experimentech dokázali překonat vliv okolí na studované objekty a tím odkrýt kvantové chování částic i fotonů.

David Wineland a Serge Haroche

S. Haroche se věnoval studiu neklasických stavů optických polí v mikrorezonátorech, zejména stavům s definovaným počtem fotonů. Vyvinul sofistikované metody pro přípravu těchto optických stavů v supravodivých mikrodutinách za pomocí speciálních excitovaných částic - Rydbergových atomů. Rydbergovy atomy s typickými průměry v tisícinásobcích běžných atomů mimořádně intenzivně interagují se zářením v mikrodutině a mohou tedy efektivně buď předávat nebo odebírat energii (fotony) z této dutiny. Supravodivé dutiny navíc mimořádně slabě absorbují záření a tak umožňují statisticky dlouhodobou existenci fotonů uvnitř. Tato dlouhá doba dosahující až zlomků sekund umožnila S. Harochemu provádět na fotonech mnoho mimořádně zajímavých a fascinujících experimentů. Tyto experimenty byly umožněny rozvinutím diagnostických metod kvantových stavů záření v dutině založených na měření fázových změn stavů Rydbergových atomů procházejících dutinou se studovaným stavem. Samotné tzv. nedemoliční měření patří k nejzajímavějším jevům spojeným s kvantovou fyzikou. Schopnost počítat fotony uvnitř dutiny pak umožnila S. Harochemu studovat časový vývoj kvantového pole uvnitř dutiny. Tím se mu podařilo získat maximální informaci o stavu systému tak, jak jej definuje kvantová fyzika.

Naopak D. J. Wineland zasvětil svůj výzkum kvantovým stavům jednotlivých iontů zachycených v elektromagnetických pastech a chlazených na teploty velmi blízké absolutní nule. V těchto podmínkách atomy jen slabě interagují s okolím a umožňují tak studium svých kvantových stavů i jejich časového vývoje. Měření těchto stavů jakož i manipulace s nimi je umožněna díky přesným optickým pulzům. Pochopení fyzikálních zákonitostí vývoje těchto iontů spolu s precizací metod manipulace s ionty umožnily D. J. Winelandovi sestrojit optické hodiny pracující s přesností převyšující cesiové hodiny o dva řády. Tato přesnost je dána konstrukcí hodin obsahujících dva ionty, z nichž jeden plynoucí čas počítá a druhý tento čas odečítá nedestruktivním měřením na prvním iontu. Tímto postupem vznikl zcela nový standard v měření času potřebný pro studium jevů v prostoročasu předpovězených Einsteinovou teorií gravitace.

Oba laureáti svými objevy výrazně přispěli k rozvoji metod umožňujících vytvářet kvantové superpoziční stavy jak u částicových systémů tak i kvantových stavů polí. Tím se stali i průkopníky na poli kvantového počítání, které je založeno na sledování časového vývoje, manipulacích s mikroobjekty a měření kvantových superpozic velkého počtu kvantových částic.