Experiment olomouckých vědců zaujal týmy z USA

Olomoučtí vědci z katedry optiky publikovali článek v prestižním vědeckém časopise Nature Communications. Testovali možnost proměřit světelné pole a následně předpovídat další šíření světla. To je podstatou 3D zobrazování. Výsledek má značný aplikační potenciál: vědci zvažují jeho využití v kosmickém výzkumu. Zveřejněné výsledky zaujaly týmy v USA. 

Článek olomouckého týmu ukazuje, že kombinace metod kvantové informatiky s technikou původně používanou pro kontrolu kvality dalekohledů umožňuje získat trojrozměrné informace o objektu. Všechny objekty kolem nás vydávají záření ve formě vlnoplochy (tj. plochy přesně určené body, kam záření dorazí ve stejném okamžiku). Lidské oko je citlivé pouze na intenzitu světla, proto jsou získané obrázky ztvárněny jen jako dvojrozměrné projekce.

„Vlnoplochy si můžeme zjednodušeně představit jako vlny šířící se na hladině moře, kdy intenzita je dána výškou vlny. Ta nám ale neposkytne veškeré informace o tom, jaká vlna dorazila. Vlnoplochy mohou mít další vlastnost, která se nazývá koherence. Charakterizuje vzájemný vztah dvou či více různých vln. Pokud jsou dvě vlny prostorově koherentní, budou se navzájem zesilovat, nebo naopak zeslabovat. Opačným případem je nekoherentní skládání, kdy se navzájem sčítají pouze jejich intenzity. Mezi těmito dvěma extrémy je široká škála situací, charakterizovaných částečnou koherencí, pro které se světlo jeví jako směs koherentní a nekoherentní složky. Popis takových případů je dosud velmi obtížný, nicméně je zcela podstatný pro předpověď, jak se světlo bude dál šířit a jaký 3D obraz poskytuje,“ vysvětlují v článku olomoučtí vědci.

Pomocí metody, známé jako kvantová tomografie, rekonstruovali trojrozměrný tvar objektu v laboratoři, v daném případě obrazu vytvořeného vírovými svazky.

Světlo – nejlepší zdroj informací o světě kolem nás

Provedený experiment testuje možnosti vědců měřit světelné pole a na základě tohoto měření předpovídat další šíření světla.

„Podobným způsobem se díváme i na světlo a klademe si otázku, co víc se můžeme o signálu-obrazu dozvědět. Řečeno jinými slovy, každý z nás běžně používá digitální fotoaparát, jehož CCD chip zaznamenává v jednotlivých pixelech intenzitu a barvu světla. Z této elementární informace se pak skládá celý obraz. Jednou z cest, jak zlepšit „kvalitu“ obrázku, je zvýšit hustotu pixelů. Fyzika ale umožňuje mnohem víc. Kdybychom věděli, ze kterého směru jednotlivé paprsky přicházejí, mohli bychom se přenést jinam a podívat se na celou scénu odjinud,“ vysvětlil Zdeněk Hradil motivaci k provedení experimentu.

Pro světlo ale platí podobná pravidla jako v kvantové mechanice. Nelze proto přesně určit, odkud přichází (Heisenbergovy relace neurčitosti). Světelná stopa může být výsledkem registrace paprsku nebo překrytím dvou vln. Detekce vlnoplochy je technika stará více než sto let. Aby vědci mohli signál analyzovat, je ale třeba algoritmů, které vznikly až v 90. letech právě díky olomoucké skupině a které se využívají pro diagnostiku neklasického chování v kvantové optice.

Přísně výběrový Nature Communications

Časopis Nature Communications patří do rodiny časopisů Nature, všechny z nich jsou přísně výběrové. Zveřejňují témata, která mají vliv na dlouhodobý výzkum v dané oblasti. „Po uveřejnění článku se nám okamžitě ozvaly týmy z Berkeley ve Spojených státech, které pracují na podobné tématice. Rozhodně není běžnou záležitostí, že se zde objeví článek s adresou české univerzity. Pokud takový případ nastane, jedná se ve většině případů o práci, která vznikla někde jinde a čeští vědci k ní přispěli. V tomto případě jde o unikátní případ, práce vznikla kompletně v našich laboratořích a toto téma je jedním z hlavních zaměření našeho projektu Centrum digitální optiky podporovaného Technologickou agenturou České republiky,“ zdůraznil Jaroslav Řeháček.

„Přestože jde o základní výzkum, tento výsledek má značný aplikační potenciál. Ve spolupráci s profesorem Luisem Sánchez-Sotem z univerzity v Madridu zvažujeme aplikace v kosmickém výzkumu, kde se senzory vlnoplochy běžně využívají,“ dodal Hradil.

Výzkum v laboratořích katedry optiky trval dva roky, byl součástí práce doktorandů Bohumila Stoklasy a Libora Moťky, kteří současně pracují i ve firmě Meopta Přerov. Navazuje na dlouhodobou vědeckou práci profesora Hradila a docenta Řeháčka.