Ondřej Haderka vede desátým rokem olomouckou Společnou laboratoř optiky (SLO) – pracoviště, které provozuje Sekce optiky Fyzikálního ústavu společně s Přírodovědeckou fakultou Univerzity Palackého. Místo, kde vznikají ohromná zrcadla pro vesmírné observatoře a zabývají se astrofyzikou, ale kde se vede i výzkum v oblasti kvantové optiky a laserů. Blízko zde tedy mají i k tématům, za která byla v letošním roce trojici vědců udělena Nobelova cena za fyziku. Jeho snahou je zachovat SLO jako místo, kde je radost bádat. Krom toho rád fotí, hlavně vesmír. A v nedávné době byl jmenován profesorem.
Začněme aktuálním tématem – Nobelovu cenu za fyziku získali Alain Aspect, John Clauser a Anton Zeilinger za zkoumání provázaných fotonů a experimenty s nimi. To je téma, kterým se zabýváte i vy. Těší vás, že zrovna vašemu oboru se dostalo takové pozornosti?
To mě těší moc. Práce této trojice mě a mé kolegy provázejí celou naši kariéru. Díky geografické blízkosti máme nejblíž k Antonu Zeilingerovi, s nímž jsem měl možnost se několikrát setkat, a práce jeho skupiny posunuly kvantovou optiku o obrovský kus dopředu.
Jaký je rozdíl mezi jejich výzkumem a tím, který vedete vy?
V Olomouci děláme témata blízce související a používáme velmi podobné nástroje. My jsme se zaměřili zejména na způsoby, jak s pomocí finančně dosažitelné metody detekce fotonů s rozlišením jejich počtu zkoumat kvantové korelace, kvantovou provázanost.
Co jste v oblasti kvantové provázanosti zkoumali?
My se zabýváme zejména zkoumáním fotonových dvojčat, fotonových párů. To jsou zajímavé fyzikální objekty, které se skládají ze dvou částic, ale z pohledu fyziky jsou popsány jedním zápisem. Je to jeden objekt složený ze dvou částic. Jeho kvantovost spočívá v tom, že když něco provedeme s jedním členem páru, ovlivní to objekt jako celek. Tedy i ten druhý foton, který může být už půl vesmíru daleko.
To je hrozně zajímavé, ale trochu se to vymyká běžnému lidskému chápání…
Klíč k pochopení spočívá v tom, že celou dobu jde o jeden objekt. Obě částice jsou vázány společnou historií vzniku. Možná je to jeden z důvodů, proč jim říkáme dvojčata. Je tam jistá paralela s tím, co se říká o jednovaječných dvojčatech, že když se jednomu něco stane, tak to druhé to nějak mysticky pozná. Tak tady to není mystika, tady je to fyzika, protože tím, že jde o jeden objekt, tak jej jakýmkoliv zásahem ovlivníte jako celek.
Jak je to možné?
V kvantové fyzice se pohybujeme v prostoru superpozice stavů. Z pohledu klasické logiky máme dva stavy bitů. Nula nebo jednička. V kvantové fyzice pracujeme se superpozicemi, tam je to nejenom nula a jednička, ale i cokoliv mezi tím. Může to být jakákoliv superpozice nuly a jedničky, a i každý z těch fotonů je v některé z těchto superpozic a vy přesně nevíte v jaké, pokud ho tedy správně vytvoříte. A jestliže zasáhnete do stavu jednoho z těch fotonů měřením, tak mu vnutíte určitou hodnotu, a navíc tím ovlivníte objekt jako celek, protože stavy obou fotonů jsou korelovány. Dokonce i Einstein pro to vymyslel termín „děsivé působení na dálku“ – „spooky action at a distance“. A byl přesvědčený, že to není možné.
Ale vypočítané to bylo už tenkrát?
On si byl vědom výsledků, které pocházely od otců zakladatelů kvantové mechaniky. Na nich se Einstein přímo nepodílel, ale připadalo mu, že nejsou možné. Vedl s nimi dokonce spor a měl za to, že kvantová mechanika je neúplná teorie, jestliže umožňuje takovéto věci. Ale ono se postupně ukázalo, že ti otcové zakladatelé měli pravdu. Aspoň si to dodnes myslíme a existuje celá řada experimentálních důkazů, které naznačují, že to tak opravdu je, že právě to je podstata kvantového mikrosvěta, který je trochu rozmazaný, neurčitý a umožňuje mimo jiné nelokální vazby na dálku.
Jak je to tedy starý obor?
Základní kameny byly položeny na přelomu 19. a 20. století, kdy byla kvantová mechanika poprvé formulována v základní formě. Kvantová optika, kterou my se zabýváme, se z toho postupně vyvinula a o experimentální kvantové optice pak můžeme mluvit po objevu laseru, takže od 60., 70. let minulého století, kdy experimentální kvantová optika dostala dostatečně silné nástroje, aby mohla být laboratorně realizována. Díky tomu můžeme generovat právě ona zmíněná fotonová dvojčata.
A jak je generujete?
Vyrobit fotonové dvojče, je triviální proces. Jestliže necháme foton vstoupit do nelineárního krystalu, tedy speciálního prostředí, které zvyšuje pravděpodobnost, že k tomu jevu dojde, tak se může stát, že se, stále s malou pravděpodobností asi deset na mínus 11, rozpadne na dva fotony o nižší energii. Dojde k rozpadu jedné částice na dvě, přičemž jsou splněny zákon zachování energie a zákon zachování hybnosti. Z jednoho vzniknou dva, a to jsou ta dvojčata, fotonový pár.
Jak je potom pozorujete?
Foton lze vidět, dokonce i lidské oko je skoro citlivé na jednotlivé fotony. Kdyby člověk zůstal dlouho ve tmě a oko na ni nechal adaptovat, tak je může vidět – oko je poměrně citlivý detektor. Ale my potřebujeme něco objektivního, co nám umožnuje ten signál elektronicky vyhodnotit, takže používáme velmi citlivé detektory, které jsou schopny detekce jednotlivých fotonů. Nicméně jedna věc je fotony detekovat a jiná je spočítat. A to je další velký problém. Jeden foton totiž nese velmi malou energii, tudíž detektor musí provést velmi silný proces zesílení, který z dopadu jednoho fotonu udělá dostatečně silný elektrický impulz tak, aby byl zachytitelný. A v tom procesu zesílení se zpravidla ztratí informace o tom, kolik fotonů tam bylo. To je další problém, kterým jsme se zčásti zabývali těch patnáct let, kdy jsme hledali způsoby a nástroje, jak fotony spočítat.
A ty už máte?
Ty už máme. Přístupů k této problematice je celá řada. Některé jsou exotické a drahé a vyžadují značně náročnou experimentální techniku, která je pro nás nedostupná, tak jsme hledali nějaké jednodušší a levnější přístupy. To, co dneska používáme, stojí na velmi jednoduché myšlence. Místo detektoru, který umí fotony počítat, používáme takový, který řekne, když na něj dopadnou fotony, ale neví, kolik jich bylo. A pak se samozřejmě nabízí mít velké množství těchto jednoduchých detektorů, aby každý vždy zachytil právě jeden foton. Myšlenka je to hezká, ale on ani tento detektor není tak levná záležitost, abychom jich mohli mít obrovský počet.
Jak tenhle problém vyřešit?
Nyní jsou dvě možnosti. Buďto použijeme zpožďovací smyčku z optického vlákna, ten obláček fotonů pošleme do vláknové smyčky a v každém oběhu obláčku ho malinký kousek odštípneme, čímž ho ředíme velkým počtem nabízených cest, pak stačí mít detektor jenom jeden. Místo aby bylo cest hodně v prostoru, tak jich je hodně v čase. To je způsob fungující pro malé počty. Když jich máme hodně, tak používáme zařízení, které bylo původně vyvinuté k úplně jinému účelu – intenzifikovanou CCD kameru. Když CCD čipu, který sám o sobě není citlivý na fotony, předřadíme takzvaný intenzifikátor obrazu, který umí zesílit dopadající světlo, získáme velkou matici detektorů citlivých na jednotlivé fotony, a ty nám je umožní počítat. A jako bonus získáme informaci o poloze, to znamená, že nejen spočítáme fotony, ale můžeme sledovat i jejich prostorové korelace. A když tomu zařízení předřadíme ještě spektrometr, tak můžeme sledovat korelace ve spektru. Získáváme dobrý nástroj za dostupné peníze, který nám umožňuje dělat experimenty s počítáním fotonů.
Kvantové technologie, generování fotonových dvojčat, už jsme slyšeli i o jejich teleportaci – kam to všechno může zajít, kam se dostaneme? Budou se lidi teleportovat z jednoho konce světa na druhý?
To si myslím, že je úplné sci-fi, ale celou řadu věcí už dovedeme. O kvantových technologiích se čím dál víc mluví. Laser a CCD čip jsou kvantové technologie první generace. Dnes mluvíme o kvantových technologiích 2.0 – tam můžeme řadit věci, jako jsou kvantové počítače, kvantové šifrování, kvantové zobrazování, kvantová metrologie. Je celá řada věcí, které dnes už umíme v různém stupni pokročilosti. Třeba to kvantové šifrování, mimochodem s tím jsme v naší laboratoři začínali. To byl první experiment, který jsme tu dělali po vzniku našich kvantově optických laboratoří koncem minulého století. Dnes je to aplikační technika, kterou prodává několik firem na trhu, když máte dost peněz, můžete si ji koupit.
A v čem vlastně spočívá?
Kvantové šifrování umí vytvořit komunikační systém, jehož bezpečnost je chráněna zákony kvantové teorie. To znamená, že je na vyšší úrovni než klasické šifrovací systémy. Klasické šifrovací metody, alespoň některé z nich, se totiž dají prolomit s využitím kvantového počítače, existuje na to algoritmus. Tady vidíme, jak jsou ti kvantoví fyzici vychytralí. Nejenom, že tu šifru napadnou, ale taky nabídnou systém, který je odolný proti útoku kvantovým počítačem a kde je bezpečnost garantovaná fyzikálními zákony.
Čeho dalšího se můžeme od kvantové fyziky dočkat?
Dost věcí umíme už teď. Kvantové počítače už nejsou úplná fantazie, několik jich je na trhu. Pak třeba oblast kvantové metrologie. Kvantová fyzika umí posunout přesnost měření o kousek dál, než co je možné v rámci klasické fyziky. Třeba interferometrie založená na takzvaných stlačených stavech se používá v detektorech gravitačních vln. Je to nové okno astronomie otevřené do vesmíru. Dneska umíme detekovat gravitační vlny, jejichž předpověď pochází od Alberta Einsteina z obecné teorie relativity. Můžeme měřit vlnění časoprostoru, ke kterému dochází v případě dramatických vesmírných událostí, jako jsou třeba srážky dvou černých děr. Na to potřebujeme extrémně citlivé a přesné měření délek. Využíváme proto detektory gravitačních vln, jako je třeba detektor LIGO, a ty si pomáhají k vysoké přesnosti kvantovými technologiemi založenými na stlačených stavech.
Tím jsme se dostali k dalšímu tématu vašeho zájmu – vy vesmír fotíte, na svém webu máte fotky mlhovin, vesmírných těles a úkazů. Jak vznikají?
To je opravdu jen amatérská záležitost, je celá řada jiných astrofotografů, kteří odvádějí práci na úplně jiné úrovni než já. Fotky vesmíru vznikají tím, že namíříme dalekohled s detekčním zařízením, nejlépe CCD kamerou, někam na oblohu. Expozici člověk musí provádět dostatečně dlouho, protože dneska je obloha přesvícená veřejným osvětlením a jinými zdroji záření, kromě toho tam neustále přelétají desítky nebo stovky družic Muskova systému, pak dostane krásné obrázky. A mimochodem, to je zase krásně vidět, kam se přístrojová technika posunula, protože to, co po dlouhá desetiletí, nebo snad i staletí bylo výsadou vysoce profesionálních astronomických observatoří, které s obrovskými dalekohledy dokázaly dělat ty krásné barevné obrázky ve výpravných knihách, tak to dneska dokáže téměř každý amatérský astrofotograf, protože CCD detektory jsou natolik dostupné, natolik levné a natolik dobré, že se s tím dnes dají dělat krásné fotky mlhovin z centra města.
Musí člověk vědět, kam namířit, nebo kamkoliv namíříte, tam něco vyfotíte?
Skoro kamkoliv namíříte, tam něco vyfotíte, ale samozřejmě k tomu fotografování většinou přistupujete s konkrétním cílem. Dneska máme robotizované dalekohledy, které udělají spoustu práce za vás. To znamená, že se namíří, kam jim přikážete, zjistí, jestli jsou namířeny správně, opraví svoji polohu a pak objekt sledují celou dobu expozice, protože na takovou jednu hezkou fotku potřebujete hodiny, nebo spíše desítky hodin expozice.
Jak hluboké znalosti fyziky na takové focení člověk potřebuje?
Člověk nepotřebuje hluboké znalosti, pomohou, protože člověk lépe rozumí tomu, co se děje a co dělá, ale znám i fotografy amatéry, kteří nemají hluboké znalosti fyziky, a přesto dělají krásné fotky vesmíru. Je to spíš o technologii než o fyzikálních znalostech, ale u mě to bylo naopak, mě ten zájem o fyziku přivedl, a nejsem ve Fyzikálním ústavu sám, k tomu, že jsem začal dělat fotky vesmíru.
Moje poslední otázka se týká Společné laboratoře optiky – jaké máte vize a plány do budoucna? Co vidíte jako klíčové pro budoucnost?
Můj plán je zachovat SLO jako místo, kde je radost bádat. To je úplně nejdůležitější. Mě vždycky připadalo, že my jako fyzici máme takové nezasloužené privilegium, že se můžeme živit tím, co nás baví. Ale to, jestli se mi to bude dařit, a tady do mé řeči vstoupí skepse, nezávisí jen na tom, jestli svou práci budu dělat dobře, nebo nebudu. Já mám pocit, že věda začíná zažívat těžké chvíle. Že ji čeká něco, co bych nazval bojem o důvěryhodnost, a já se trochu obávám, že ji ztrácí. Věda obecně, ne jenom česká. Já si nemyslím, že je to jenom vina vědy, ale celý svět začíná být povrchnější, jako by na podstatě věcí přestalo záležet. Spokojíme se s tím, že to nějak funguje, ale nechodíme do hloubky. A já se bojím, že tohle je smrtelná past, do které dobrovolně vstupujeme. Rád bych doufal, že věda bude z tohoto trendu výjimkou, že bude poctivá, půjde po podstatě věcí, ale se bojím se, že to tak úplně není a že věda sleduje ten společenský trend a začíná povrchnět. Z toho plyne moje velká obava.