Vláknové interferometry jsou perspektivní platformou pro kvantovou komunikaci, metrologii a optické sítě díky své kompaktnosti, kompatibilitě s telekomunikačními komponentami a stabilnímu překryvu módů. Jejich využití však omezuje fázový šum způsobený tepelným driftem, vibracemi a polarizačními fluktuacemi. Tato práce se zabývá návrhem a experimentální realizací aktivně stabilizovaného vláknového MachZehnderova interferometru pracujícího od klasického až po dvoufotonový režim. Interferometr využívá DWDM multiplexu pro oddělení signálového a pomocného stabilizačního kanálu. Aktivní zpětnovazební smyčka s vláknovým napínačem stabilizuje fázi interferometru v definovaném pracovním bodě a účinně potlačuje mechanické a akustické vibrace v klasickém i jednofotonovém režimu. V klasickém režimu byla dosažena viditelnost (96 ± 3) %, v jednofotonovém režimu (88 ± 2) %. Platforma byla dále využita pro dvoufotonovou interferenci s viditelností (27 ± 9) %, kde se však vzhledem k současným hardwarovým omezením stabilizace ukázala jako méně efektivní. Výsledky potvrzují, že aktivní fázová stabilizace pomocí vlnového multiplexu představuje praktický přístup k realizaci stabilních a rekonfigurovatelných vláknových interferometrů pro pokročilé kvantově optické experimenty a budoucí kvantové sítě.
Vláknové interferometry jsou perspektivní platformou pro kvantovou komunikaci, metrologii a optické sítě díky své kompaktnosti, kompatibilitě s telekomunikačními komponentami a stabilnímu překryvu módů. Jejich využití však omezuje fázový šum způsobený tepelným driftem, vibracemi a polarizačními fluktuacemi. Tato práce se zabývá návrhem a experimentální realizací aktivně stabilizovaného vláknového MachZehnderova interferometru pracujícího od klasického až po dvoufotonový režim. Interferometr využívá DWDM multiplexu pro oddělení signálového a pomocného stabilizačního kanálu. Aktivní zpětnovazební smyčka s vláknovým napínačem stabilizuje fázi interferometru v definovaném pracovním bodě a účinně potlačuje mechanické a akustické vibrace v klasickém i jednofotonovém režimu. V klasickém režimu byla dosažena viditelnost (96 ± 3) %, v jednofotonovém režimu (88 ± 2) %. Platforma byla dále využita pro dvoufotonovou interferenci s viditelností (27 ± 9) %, kde se však vzhledem k současným hardwarovým omezením stabilizace ukázala jako méně efektivní. Výsledky potvrzují, že aktivní fázová stabilizace pomocí vlnového multiplexu představuje praktický přístup k realizaci stabilních a rekonfigurovatelných vláknových interferometrů pro pokročilé kvantově optické experimenty a budoucí kvantové sítě.
Obsahem me disertacni prace je dosud neřesený problem oživeni uplne ztraty entanglementu v kvantovem kanalu. Hlavni myslenkou při obnově entanglementu je aktivni monitorovani relevantni casti okoli. Tuto myslenku jsme použili na problem ztraty entanglementu v připadě interakce dvou fotonů na dělici svazku z nichž jeden simuloval okoli a druhý system (entanglovaný se třetim fotonem). Tento model vede na depolarizacni kanal na jehož výstupu již výsledný stav nemusi být entanglovaný. V připadě nerozlisitelných fotonů na dělici svazku vsak dokažeme tento stav pomoci měřeni a dynamickeho filtrovani převest s jistou pravděpodobnosti až na maximalně entanglovaný stav dvou fotonů. V připadě rozlisitelných fotonů je výsledný stav po měřeni vždy entanglovaný a dalsim filtrovanim můžeme jeho entanglement navýsit (nedosahneme již vsak maximalniho entanglementu). Obnoveni entanglementu je možne dosahnout pro vsechny linearni interakce mezi dvěma fotony. Jinou otazkou řesenou v ramci me dizertace je problem uplne ztraty entanglementu v po sobě jdoucich odlisných kvantových kanalech. Důvodem ke ztratě entanglementu je spatna vzajemna adaptace kanalů vůci sobě. Obnovu entanglementu je možne zajistit vhodnými operacemi mezi kanaly (adaptovat kanaly vůci sobě). Z provedených numerických výpoctů je patrno, že pro jiste kanaly je unitarni transformace dostacujici operaci pro obnovu entanglementu. U jiných kanalů je potřeba k obnově entanglementu použit filtracnich procedur. Zajimavým rysem je, že filtracni operace na jedne kopii umožňuje obnovu pro vsechny konfigurace urcitých typů kanalů. Třetim směrem řeseným v ramci me disertace je problem ztraty koherence (dekoherence) kvantove castice v připadě jeji zaměny s jinou castici představujici sum. Předmětem zkoumani je elementarni proces diskretni dekoherence, který se odlisuje od fyzikalnich modelů věnujicich se v case spojitým dekoherencnim procesům. Jako model pro konkretni výpocty jsme zvolili chovani interference fotonu v Machově-Zehnderově interferometru, jehož jedno rameno bylo zasuměno přitomnosti dalsiho fotonu. Bylo zjistěno, že pouha zaměna signaloveho a sumoveho fotonu staci k tomu, aby doslo k ubytku koherence (interference). Pokles dekoherence zavisi na poctu sumových fotonů a rozlisitelnosti mezi signalovým a sumovým fotonem.
Kvantové sítě jsou komunikačním prostředkem nové generace. Rozmach kvantových technologií umožňuje využití neklasických jevů jako kvantová superpozice, kvantové provázání a interference v komunikačních a kryptografických protokolech. Příkladem takového protokolu je kvantová distribuce klíče, která zajišťuje vytvoření a distribuci náhodného šifrovacího klíče mezi dvěma komunikačními uzly. Samotný termín kvantová síť znamená tři různé věci. První jsou aktivní kvantové sítě používající prvky jako opakovače nebo kvantová paměť, druhá pasivní optické kvantové sítě složené z děličů paprsku a posunovačů fáze a třetí představuje abstraktní matematický model založený na Hamiltoniánu, který lze charakterizovat grafem. V této práci popíšeme všechny tři pojmy, přičemž se soustředíme zejména na třetí zmíněný význam tohoto pojmu. V rámci zmíněného Hamiltoniánového modelu detailně zkoumáme tzv. efekt uvěznění kvantové excitace v jediném módu nebo v malém počtu módů. Efekt uvěznění zkoumáme jak pro kvantovou síť charakterizovanou úplným grafem, tak i pro grafy, kde nějaká hrana může chybět. Nepřítomnost hrany zkoumáme jak ve statickém případě, kdy hrana chybí permanentně, tak i v případě stochastického chování v čase, kdy se hrana přerušuje a opět znovuobjevuje.
Navrhli jsme a pomoci linearni kvantove optiky experimentalně ověřili metodu podminěne implementace kvantoveho maximalně entanglujiciho control-Z hradla, operujiciho na libovolně slabě vazaných kvantových bitech. Nase metoda je založena na obchazeni interakce slabě vazaných kvantových bitů pomoci koherentniho navazani a nasledneho vyvazani jednoho kvantoveho bitu do pomocneho modu. Po interakci je pomocný mod promitnut zpět do podprostoru původniho kvantoveho bitu. Takto je dosaženo zesileni interakce mezi slabě vazanými kvantovými bity, přestože vazba do pomocneho modu je lokalni operaci. Experiment využiva casově korelovane pary fotonů, ktere jsou generovane pomoci spontanni parametricke sestupne frekvencni konverze. Pro kodovani jednotlivých kvantových bitů se využiva prostorových a polarizacnich modů fotonů. Slaba vazba mezi fotony, ktera běžně neumožňuje vytvořeni control-Z hradla, je zprostředkovana pomoci dělice svazku. Metoda je charakterizovana svoji ucinnosti a pomoci měřeni Hofmannovy dolni meze fidelity procesu pro různe sily vazby do pomocneho modu. V optimalnim režimu, kde dosahuje fidelita procesu a pravděpodobnost uspěsne operace sveho maxima, je hradlo charakterizovano uplným tomografickým měřenim.
Limitujícím faktorem dnešního šifrování je neschopnost bezchybně detekovat odposlouchávání, a proto všechny šifrovací algoritmy s tím musí počítat. Pro distribuci šifrovacího klíče se dnes používá asymetrické šifrování založené na problému diskrétního logaritmu nebo faktorizaci prvočísel. Nové technologie, jako je nově se objevující oblast kvantových počítačů, však nabízejí algoritmy, které mohou efektivně vyřešit tyto úlohy, a tedy případně prolomit dnešní šifrování. Navíc by to mohlo ovlivnit všechna šifrovaná data, tedy nejen po vynálezu kvantového počítače schopného spouštět Shorův algoritmus, ale také všechna dříve uložená šifrovaná data. Kvantová distribuce klíčů umožňuji detekci odposlechu za pomocí zákonů kvantové mechaniky a umožňuje tak zcela bezpečně distribuovat symetrický klíč mezi dvě strany. Tato práce prezentuje simulaci, experimentální realizaci a testování systému kvantové distribuce klíče (QKD) založeného na protokolu BB84 s využitím časového a fázového kódování. Hlavním cílem bylo sestavit praktické optické zařízení schopné demonstrovat principy QKD na úrovni jednotlivých fotonů. Bylo vyvinuto plně integrované zařízení, které se skládá ze dvou asymetrických Mach-Zehnderových interferometrů rozdělených do sekcí Alice a Bob, propojených optickým vláknem, kvantovým kanálem. Mikropočítač Red Pitaya STEMlab 125-14 byl využit pro ovládání systému, generování laserových pulsů, aplikaci fázové modulace a provádění detekce fotonů. Na jednotlivých komponentách bylo provedeno testování a kalibrace pro optimalizaci systému. Klasická interference dosáhla viditelnosti 45,66\%, což se blíží teoretickému maximu 50\%. Kvantové měření na úrovni jednotlivých fotonů dosáhlo viditelnosti 32,60\%, což demonstruje úspěšnou interferenci a schopnost kódovat informace na jednotlivé fotony. Simulace pokrývá celý proces QKD, od generování kvantových stavů Alice, přenosu přes simulovaný kvantový kanál s šumem a ztrátami, měření Bobem a následnými postprocesingovými fázemi, včetně filtrování klíčů, odhadu chyb, korekce chyb, zesílení soukromí klíče a autentizace klíče. Provedeny byly rozsáhlé analýzy pro hodnocení dopadu různých zdrojů šumu a scénářů odposlechu na kvantovou chybovost bitů (QBER) a finální délku klíče.
Tato práce se zaměřuje na teoretické aspekty jednofotonové interferometrie, intenzitní interferometrie a nově navržené dvouzdrojové amplitudové interferometrie, jakož i na jednofotonové detektory, které jsou klíčové pro implementaci posledních dvou metod. Dále prezentuje experimentální výsledky získané měřením pomocí LinoSPAD2 detektoru. Tyto výsledky zahrnují charakterizaci Hanbury Brown and Twiss efektu, který tvoří základ intenzitní interferometrie a dvouzdrojové amplitudové interferometrie, charakterizaci cross-talku pro LinoSPAD2 detektor a offset kalibraci LinoSPAD2 detektoru. Všechny výsledky jsou ve shodě s teoretickými předpověďmi a výzkum v oblasti kvantové astrometrie pokračuje k testům nové dvouzdrojové amplitudové interferometrie.
Kvantově vylepšené strojové učení vzbudilo značný zájem jako přístup ke zlepšení klasických učících se algoritmů prostřednictvím využití principů kvantového počítání. Zejména kvantové mapy rysů umožňují vnoření klasických dat do vysokorozměrných Hilbertových prostorů, což může zlepšit expresivitu modelu a výkonnost klasifikace. Tato práce se zabývá návrhem a optimalizací kvantových map rysů založených na Hamiltoniánu Isingova spinového skla pro klasifikační úlohy. Navrhovaný přístup využívá bezpřechodového kvantového řízení v impulzním režimu, aby umožnil efektivní kvantovou evoluci vhodnou pro zařízení typu NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum). Experimentální výsledky ukazují, že navrhované mapy vlastností zlepšují výkon klasických klasifikačních modelů ve srovnání s referenčními přístupy, a to s nárůstem přesnosti až o 28 % a nárůstem plochy pod křivkou (AUC) až o 62 %, v závislosti na datasetu a konfiguraci modelu. Vliv hardwarového šumu je dále zkoumán porovnáním výsledků získaných z kvantového hardwaru se simulacemi tenzorových sítí představujících idealizované podmínky bez šumu. Porovnání naznačuje, že část pozorovaného zlepšení výkonu může souviset spíše s hardwarovým šumem než výhradně s návrhem kvantové mapy rysů, ačkoli k definitivnímu potvrzení této skutečnosti je nutná další analýza.