Fotón
Slovo fotón pochádza z gréckeho slova phōs (svetlo) a z prípony -on, ktorú používame pri pomenovávaní častíc. Prvýkrát ho v roku 1926 použil americký chemik Gilbert N. Lewis, keď takto označil „kvantum svetla“. Vďaka fotónom vidíme, prenášame informácie vo vláknach optických kábloch, liečime pomocou rádioterapie, vyrábame elektrinu v solárnych paneloch, chránime dáta pomocou kvantovej kryptografie a využívame ich v mnohých ďalších technológiách, ktoré dnes považujeme za samozrejmé.
Odpovediam na otázku „čo je to fotón“, alebo „ako vieme, že fotón existuje“, predchádzali stáročia trvajúce vedecké diskusie o tom, čo je vlastne svetlo a aká je jeho povaha. Touto otázkou sa zaoberali už starovekí Gréci, ktorí tvrdili, že svetlo je niečo, čo vychádza z očí, alebo stav prostredia, ktorý umožňuje vidieť. Neskôr sa k povahe svetla vrátil v 17. storočí Isaac Newton, ktorý vytvoril hypotézu, že svetlo sa skladá z prúdu častíc. Jeho súčasník, Christiaan Huygens, však presadzoval teóriu, že svetlo sa šíri ako vlna, ktorú o niekoľko desaťročí významne podporil Thomas Young svojím slávnym dvojštrbinovým experimentom. Konečný teoretický základ vlnovej povahy svetla položil James Clerk Maxwell, keď opísal svetlo ako elektromagnetickú vlnu. Vo svojich rovniciach ukázal, že elektromagnetické vlny sa šíria presne rýchlosťou svetla, z čoho vyplynul prelomový záver, že svetlo je elektromagnetická vlna. Toto riešenie sa zdalo byť v tej dobe konečné a medzi mnohými fyzikmi prevládalo koncom 19. storočia presvedčenie, že fyzika poskytuje takmer úplný obraz sveta. Vedci verili, že zostáva objasniť už len niekoľko „drobností“. Niektoré javy, ako žiarenie čierneho telesa alebo fotoelektrický efekt sa totiž nedali vysvetliť klasickou fyzikou ani Maxwellovou teóriou. Práve vysvetlenie týchto javov však úplne zmenilo chápanie fyziky začiatkom 20. storočia a otvorilo bránu do sveta kvantovej fyziky.
Problém čierneho telesa
Jednou z otázok, ktoré sa klasická fyzika pokúšala objasniť, bolo žiarenie čierneho telesa, teda aké svetelné spektrá telesá vyžarujú v závislosti od svojej teploty. Problém nastal, keď sa fyzici pokúšali opísať žiarenie telesa pri vysokých teplotách, kedy už malo vzniknúť aj ultrafialové žiarenie. Klasická fyzika predpokladala, že čierne teleso pri krátkych vlnových dĺžkach (ultrafialové žiarenie) vyžaruje nekonečné množstvo energie. Experimentálne merania však ukazovali, že intenzita žiarenia pri vysokých teplotách prudko klesá. Tento rozpor sa stal známym ako ultrafialová katastrofa.
Až Maxovi Planckovi sa podarilo matematicky správne opísať výsledky experimentov pomocou radikálneho predpokladu, že energia sa nevyžaruje spojito (kontinuálne), ale v malých, už ďalej nedeliteľných balíčkoch, tzv. kvantách. Tieto balíčky mali energiu úmernú frekvencii žiarenia (tzv. Planckova konštanta). Samotný M. Planck si svojím výsledkom spočiatku nebol úplne istý a považoval ho skôr za matematické riešenie, než za skutočný opis reality. Planckove výpočty až neskôr potvrdil Einstein vysvetlením fotoelektrického efektu.
Čierne teleso je ideálny fyzikálny objekt, ktorý úplne pohlcuje všetko dopadajúce žiarenie a nič neodráža. Samo o sebe zároveň vyžaruje elektromagnetické žiarenie, ktorého spektrum závisí od jeho teploty. Pri nižších teplotách teleso vyžaruje hlavne infračervené žiarenie, pri vyšších začína žiariť aj viditeľným svetlom – od červenej až po bielu a modrú farbu. Môžeme si to predstaviť na príklade hviezd (hoci tie v skutočnosti čierne telesá nie sú). Menej teplé hviezdy svietia načerveno, teplejšie (napr. naše slnko) svietia nažlto a najteplejšie hviezdy nabielo (pretože vtedy sa všetky viditeľné zložky svetla spoja do bieleho svetla) až modro. Čiže so zvyšujúcou sa teplotou teleso postupne začne vyžarovať viac a viac svetla s vyššou frekvenciou.
Fotoelektrický efekt
Vedci sa na základe Youngovho dvojštrbinového experimentu domnievali, že svetlo sa šíri výlučne ako vlnenie. Koncom 19. storočia bolo zároveň známe, že keď svetlo svieti na kov, dokáže predať svoju energiu elektrónom v tomto kove. Tie sa následne rozhýbu a môžu sa uvoľniť, tento proces nazývame emisia. Na základe tohto fyzici očakávali, že kinetická (pohybová) energia emitovaných elektrónov by mala rásť zo zvyšovaním intenzity svetla (jasu), zatiaľ čo počet uvoľnených elektrónov za sekundu by sa mal zvyšovať so zväčšovaním frekvencie svetla. Inými slovami, keby sa kov dostatočne dlho a intenzívne osvetľoval červeným svetlom s nízkou frekvenciou, elektróny by sa podľa tejto predstavy mali nakoniec uvoľniť. Ak by sme svietili svetlom s vyššou frekvenciou (napr. modrým), uvoľnených elektrónov by malo byť viac. V oboch prípadoch by ich kinetická energia závisela od intenzity svetla.
Experimentálne pozorovania však ukázali opak. V experimentoch sa pozorovalo, že kinetická energia elektrónov nerástla spolu s intenzitou, ale s frekvenciou, a že emisia elektrónov narastá so zvyšovaním intenzity svetla. Čiže bez ohľadu na to, ako dlho a ako intenzívne by sme na kov červeným svetlom svietili, žiadne elektróny by sa neuvoľnili. Uvoľnia sa, až keď budeme na kov svietiť svetlom s vyššou frekvenciou napr. modrým.
Práve Albert Einstein si všimol, že tieto pozorovania sa dajú vysvetliť pomocou Planckových výpočtov. Uvedomil si, že ak sa energia (čiže aj energia svetla) naozaj šíri v kvantách, dá sa tým objasniť, prečo elektrón dokáže prijať vždy len jedno takéto kvantum naraz. Ak má toto kvantum nízku frekvenciu, jeho energia nebude stačiť na uvoľnenie elektrónu, a preto sa pri červenom svetle emisia vôbec neobjaví. Toto by však znamenalo, že svetlo sa pri tomto efekte chová ako častica, teda jeho stav sa dá charakterizovať energiou a hybnosťou. Einstein tým potvrdil, že samotné svetlo je kvantové, teda vyžaruje sa v „balíčkoch“ energie, dnes už nazývaných fotóny. Tento objav Einsteinovi v roku 1921 priniesol Nobelovu cenu za fyziku.
Neskôr sa od toho odvodilo, že aj energia v atóme ako takom je v kvantách. Čiže elektrón v atóme dokáže mať iba konkrétne hodnoty energie, nazývané energetické hladiny.
Vlastnosti fotónu
Fotón môžeme charakterizovať ako kvantum elektromagnetického žiarenia, teda najmenšiu jednotku svetla alebo iného elektromagnetického vlnenia.
Fotón má určité vlastnosti :
- Nemá hmotnosť a jeho energia sa viaže na jeho frekvenciu, teda sa nikdy nemôže zastaviť a stále ide rýchlosťou svetla,
- Fotón má vlastnosť nazývanú frekvencia. Môžeme si ju predstaviť ako hustotu kmitania jeho elektromagnetického poľa. Čím hustejšie je kmitanie tým vyššia je frekvencia. Podľa nej rozdeľujeme celé elektromagnetické (svetelné) žiarenie do spektra – od rádiových vĺn s nízkou frekvenciou, cez mikrovlny, infračervené žiarenie a viditeľné svetlo, až po ultrafialové, röntgenové a po gama lúče s extrémne vysokou frekvenciou,
- Frekvencia dáva svetlu aj jeho farbu. Nízka frekvencia korešponduje s červenou farbou a vysoká s fialovou,
- Nemá elektrický náboj čiže nie je možné ho vychýliť elektrickým poľom ani ohnúť pomocou magnetov. Napriek tomu vie s nabitými časticami (napr. elektrónmi) interagovať pomocou vlastnosti zvanej polarizácia,
- Keď elektrón prejde z vyššej energetickej hladiny na nižšiu, uvoľní fotón. Tento jav je základom napríklad pre lasery, pre svietiace diódy (LED), žiarovky,
- Fotón vie predať svoju energiu časticiam, napr. elektrónom ako pri fotoelektrickom efekte, a vyraziť ich z kovu. Táto vlastnosť sa využíva napríklad pri solárnych paneloch na generovanie elektrického prúdu
- Má vlastnosti vlny aj častice. Tento jav sa volá vlnovo-časticový dualizmus a je základom kvantovej fyziky
Polarizácia fotónu je vlastnosť opisujúca orientáciu elektrického poľa fotónu. Toto elektrické pole kmitá kolmo na smer šírenia fotónu a ak je jeho kmitanie v čase usporiadané, môžeme tvrdiť, že samotný fotón je polarizovaný. Existuje viacero druhov polarizácie, no nás však teraz bude zaujímať najmä tzv. lineárna polarizácia. Elektrické pole lineárne polarizovaného fotónu kmitá po čiare (napr. hore dole alebo zľava doprava).
Hoci lineárna polarizácia môže smerovať ľubovoľným smerom, najčastejšie rozlišujeme štyri základné typy:
1, Horizontálna polarizácia (H) – kmitanie prebieha zľava doprava. Na ciferníku hodín si ju môžeme predstaviť ako smer od 9. k 3. hodine (↔).
2, Vertikálna polarizácia (V) – kmitanie smeruje zhora nadol, teda zvislo. Na hodinách to zodpovedá smeru od 12. k 6. hodine (↕).
3, Diagonálna polarizácia (D) – kmitanie prebieha šikmo pod uhlom 45°, teda zľava dole doprava hore. Na hodinách to zodpovedá smeru od 7:30 ku 1:30.
4, Antidiagonálna polarizácia (AD) – kmitanie je tiež šikmé, ale pod uhlom 135°, teda zľava hore doprava dole. Na hodinách by to bol smer od 10:30 ku 4:30.
Tieto smery zvykneme zoskupovať do tzv. báz polarizácie. Báza pozostáva vždy z dvoch navzájom kolmých smerov, ktoré slúžia ako základné orientácie pri meraní alebo popise polarizácie fotónu. Najčastejšie používame rektilineárnu bázu (H/V) (obsahuje horizontálnu a vertikálnu polarizáciu) a diagonálnu bázu (D/AD) (obsahuje diagonálnu a antidiagonálnu polarizáciu).
Polarizáciu fotónu môžeme merať dvoma spôsobmi, buď pomocou polarizačných filtrov, alebo pomocou špeciálnych kryštálov, nazývaných polarizujúce beam splittery. Takýto kryštál prepúšťa fotóny s jedným typom polarizácie a zároveň vychýli fotóny s kolmou polarizáciou do iného smeru. Beam splitter teda umožňuje rozlíšiť dva smery polarizácie zvolenej bázy a preto sa bežne používa na meranie polarizačných stavov.
Pri meraní je dôležité, v akej báze meriame. Ak je napríklad fotón polarizovaný diagonálne (D), ale meriame ho v lineárnej báze (H/V), nezistíme, že bol polarizovaný diagonálne. Namiesto toho máme 50 % pravdepodobnosť, že ho zdetekujeme ako polarizovaný horizontálne (H), a 50 % pravdepodobnosť, že ako polarizovaný vertikálne (V). To isté platí aj opačne. Fotón s horizontálnou polarizáciou bude mať pri meraní v D/AD báze náhodný výsledok.
Preto je voľba správnej bázy pri meraní kľúčová. Len ak meriame v tej istej báze, v akej bol fotón polarizovaný, vieme jeho stav určiť s istotou.
Kvantová šifra
Okrem toho, že fotón je nositeľom energie, má aj kvantové vlastnosti, ako je napríklad polarizácia. Práve táto vlastnosť fotónu sa využíva pri ochrane a výmene údajov v tzv. kvantovej kryptografii.
Kvantová kryptografia predstavuje spôsob zabezpečenia komunikácie, ktorý namiesto zložitých matematických algoritmov využíva samotné princípy kvantovej fyziky. Umožňuje odhaliť akýkoľvek pokus o odpočúvanie a zároveň nevyžaduje, aby si účastníci vopred vytvorili a nadviazali na spoločné tajomstvo. Jej význam narastá najmä v súvislosti s nástupom kvantových počítačov, ktoré by v budúcnosti mohli prelomiť tradičné šifrovacie metódy.
Kryptografia je oblasť matematiky a informatiky, ktorá sa zaoberá štúdiom a navrhovaním techník na bezpečnú komunikáciu. Jej cieľom je chrániť informácie pred neoprávneným prístupom alebo manipuláciou. Kryptografia sa používa v mnohých oblastiach, napríklad pri zabezpečení komunikácie, ochrane údajov alebo autentifikácii používateľov. Využívame ju v každodennom živote napríklad pri platení kreditnou kartou alebo pri telefonovaní
Protokol BB84
Najznámejším kvantovým kryptografickým protokolom je BB84, ktorý v roku 1984 navrhli Charles Bennett a Gilles Brassard. V protokole BB84 si dvaja účastníci, často nazývaní Alice a Bob, chcú vytvoriť spoločný tajný kľúč, teda postupnosť núl a jednotiek, pomocou ktorej následne môžu bezpečne zašifrovať svoje správy.
V každej báze existujú dve možné polarizácie svetla, z ktorých jedna reprezentuje bitovú hodnotu 0 a druhá hodnotu 1.
Najčastejšie používané priradenie bitových hodnôt k polarizácii je nasledovné: horizontálna polarizácia (H) predstavuje bit 0 a vertikálna polarizácia (V) predstavuje bit 1; v diagonálnej báze zasa diagonálna polarizácia (D) (45°) reprezentuje bit 0 a antidiagonálna polarizácia (AD) (135°) reprezentuje bit 1.
Alica najprv náhodne vyberá bázy a v každej z nich aj konkrétnu polarizáciu, ktorú odosiela Bobovi vo forme jednotlivých fotónov. Bob na svojej strane takisto náhodne volí bázu, v ktorej každý prichádzajúci fotón meria. Po skončení prenosu si Alica a Bob navzájom cez verejný (a teda aj potenciálne odpočúvaný) kanál oznámia, ktoré bázy použili, nie však samotné bitové hodnoty. Z porovnaných údajov si ponechajú iba tie bity, pri ktorých použili rovnakú bázu, pretože iba vtedy majú istotu, že výsledky merania sú zhodné. Tieto zvyšné bity potom použijú na vytvorenie spoločného tajného kľúča.
Ak sa do komunikácie pokúsi zasiahnuť odpočúvateľ, nazývaný Eva, narazí na zásadný problém. Rovnako ako Bob nevie, akú bázu Alice použila, a preto ju musí hádať. Keď však použije nesprávnu bázu, zmení stav fotónu. Keďže nevie, či použila správnu bázu, nevie ani, aký fotón má následne poslať Bobovi, čiže znovu háda, čo do Bobovho merania vnáša chyby. Alica a Bob následne porovnajú malú vzorku svojich výsledných bitov. Ak v nej nájdu príliš veľa chýb, znamená to, že komunikácia mohla byť odpočúvaná a celý proces zopakujú od začiatku.
Kedy si teda budeme môcť vytvoriť spoločný kľúč pomocou BB84?
Napriek tomu, že ide o veľmi sľubnú technológiu, ktorá má potenciál zásadne zmeniť spôsob zabezpečenej komunikácie, jej praktické využitie je zatiaľ stále obmedzené. V praxi sa stále stretávame s viacerými technickými výzvami. Medzi najväčšie patrí šum v optických vláknach, nepresnosti pri meraniach, straty fotónov počas prenosu či obmedzený dosah. Tieto faktory môžu spôsobovať chyby aj v prípadoch, keď komunikácia nie je odpočúvaná. Preto sa k protokolu BB84 bežne pridávajú doplnkové mechanizmy, ako sú korekcia chýb a zosilnenie súkromia, ktoré zabezpečujú spoľahlivosť a bezpečnosť výsledného kľúča.
Aj preto je kvantová distribúcia kľúčov, vrátane BB84, dnes stále najmä predmetom výskumu a experimentálneho testovania. V súčasnosti už existujú prvé testovacie kvantové komunikačné linky, napríklad v rámci európskeho projektu skQCI (Slovak Quantum Communication Infrastructure). V bežnej každodennej komunikácii zatiaľ nie je rozšírená, no s technologickým pokrokom a budovaním kvantovej infraštruktúry sa očakáva, že jej využitie bude naďalej postupne narastať.
FUN FACT zo zvieracej ríše
Jas svetlušiek vzniká vďaka chemickej reakcii zvanej bioluminiscencia, pri ktorej sa energia neuvoľní ako teplo, ale priamo vo forme fotónov, teda svetla. Svetlušky sú tak majstri efektivity: takmer 100 % energie premenia na svetlo, čo je oveľa účinnejšie než bežná žiarovka!
zdroj : Chat GPT