Badanie przestrzennych właściwości światła kwantowego przy użyciu kamery ze wzmacniaczem obrazu

Od stuleci światło było dla badaczy źródłem informacji o świecie, choćby w dawno rozwiniętych technikach obrazowania z wykorzystaniem teleskopów czy mikroskopów. Dziś możliwości techniczne sprawiły, że jesteśmy w stanie rejestrować światło za pomocą nowoczesnych obrazujących układów optycznych i odpowiednich urządzeń rejestrujących – kamer cyfrowych. W ostatnich kilku latach dokonał się niesłychany postęp w tej dziedzinie i czułość kamer została przesunięta dosłownie na granicę absolutnej ciemności, umożliwiając rejestrację pojedynczych cząstek światła – fotonów.

Kierownik projektu wraz z wykonawcą Michałem Jachurą przy układzie do filmowania nierozróżnialnych par fotonów. (fot. R. Chrapkiewicz)

Nie było jednak w zasadzie wielu badań i metod w których kamery zostałyby wykorzystane wprost do badania właściwości fotonów, a nie tylko do tworzenia obrazów innych obiektów. W szczególności nie było żadnych metod, za pomocą których klatka po klatce dokonywano by wiernej lokalizacji fotonów, pozwalającej wydobyć najwięcej informacji na ich temat. A jest to dość istotne zarówno z przyczyn fundamentalnych – testowania zasad mechaniki kwantowych, jak i z punktu widzenia zastosowań. Z jednej strony, w kształcie fotonów najprawdopodobniej będziemy kodować kwantowe bity przesyłane w bezpiecznej komunikacji kwantowej w atmosferze, z drugiej jest to ważne dla nowych technik obrazowania o wielkiej rozdzielczości, pozwalających zajrzeć np. dokładniej w głąb komórek.

W grupie badawczej dra hab. Wojciecha Wasilewskiego skonstruowaliśmy unikatową kamerę - połączenie matrycy sCMOS ze wzmacniaczem obrazu, dającą niesłychaną możliwość bardzo szybkiego i wiernego lokalizowania fotonów z niesłychaną rozdzielczością. Celem niniejszego projektu było opracowanie nowych metod do przestrzennej i statystycznej charakteryzacji słabego - kilkufotonowego światła, a następnie ich wykorzystanie.

Projekt doczekał się już wielu oryginalnych wyników. Kamera, po raz pierwszy wykorzystana w dziedzinie optyki kwantowej, wymagała specjalnej charakteryzacji – tzw. tomografii detektora kwantowego. Następnie okazała się niezwykle użyteczna do badania właściwości fotonów generowanych w procesie rozpraszania Ramana w bardzo pojemnych pamięciach kwantowych. Przełomem okazało się jednak pierwsze na świecie sfilmowanie znanego od dawna, ale nigdy nie zaobserwowanego w tak bezpośredni sposób zjawiska łączenia się fotonów w pary, tzw. efektu Hong-Ou-Mandela. Zjawisko to jest efektem kwantowej interferencji, a możliwość jego bezpośredniego filmowania ma ogromne znacznie.

Za pomocą tej techniki stworzyliśmy zupełnie nową – holograficzną metodę pomiaru kształtu fotonu po jego nałożeniu z drugim fotonem. Jak wiadomo, holografia, która pozwala zarejestrować trójwymiarowy kształt obiektu, wymaga niesłychanej stabilności fazy pomiędzy światłem pochodzącym od obiektu i tzw. światłem referencyjnym. Foton ma tą własność, że takiej fazy w ogóle nie ma ustalonej i, jak podkreślił współtwórca mechaniki kwantowej, noblista Wolfgang Pauli, w związku z tym „foton może interferować tylko sam ze sobą”. Nie mniej po zastąpieniu w klasycznej holografii zwykłej interferencji, kwantową interferencją amplitud prawdopodobieństwa udało się po raz pierwszy zarejestrować hologram pojedynczego fotonu. Z tego hologramu odtworzyliśmy także jego „kształt”, który nie tylko tak jak w fotografii jest opisywany pewnym rozkładem natężenia, ale również, co jest znamienne dla holografii, ma „głębię”, która w naszym przypadku opisana jest przez lokalną fazę funkcji falowej.

Projekt to pewnie tylko preludium do dalszych badań z wykorzystaniem kamer, a uzyskane wyniki z pewnością będą stanowiły sporą motywację do opracowywania nowych technik obrazowania z użyciem pojedynczych cząstek światła.

Film pokazujący efekt Hong-Ou-Mandela – łączenie się fotonów w pary w wyniku kwantowej interferencji.

dr Radosław Chrapkiewicz

fot. Jakub Szymczuk

Studia ukończył na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, a za pracę magisterską został wyróżniony przez Polskie Towarzystwo Fizyczne. W 2016 r. uzyskał doktorat. Pracując w grupie dr hab. Wojciecha Wasilewskiego konstruuje i bada pamięci kwantowe, a jako kierownik grantu NCN filmuje kamerą subtelne zjawiska kwantowe z udziałem pojedynczych cząstek światła. Stypendysta m.in. Research Science Institute na MIT w USA, programu START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej oraz SPIE - Optics and Photonics Education Scholarship.

Schemat układu kamery ze wzmacniaczem obrazu umożliwiającej rejestrację pojedynczych fotonów.

Kolejne klatki z kamery na których zarejestrowano zgrupowane pary fotonów, które połączyły się w efekcie kwantowej interferencji Hong-Ou-Mandela.

Grafika przestawiająca układ do rejestracji hologramu pojedynczego fotonu.

Po raz pierwszy przewidziany (po lewej) i zarejestrowany (po prawej) hologram pojedynczego fotonu w charakterystycznym kształcie krzyża.

Data publikacji: 01.10.2015