Mgr. Karel Lemr, Ph.D. ml.

Vědecké zaměření

Logická hradla pro kvantové počítání

Kvantové hradlo Kvantová mechanika přináší zcela revoluční koncepty, jako jsou například princip superpozice nebo kvantová provázanost. Ukazuje se, že těchto jevů je možné využít také pro zefektivnění výpočetních procesů. Cílem kvantového počítání je jejich praktické využití a sestavení tzv. kvantového počítače. Výzkum v této oblasti zahrnuje například dílčí obvody, které budou kvantový počítač tvořit, nebo různé protokoly, které mu umožní pracovat efektivněji než klasické počítače.

Kvantová komunikace a kryptografie

Kvantová komunikace Přímočarým doplňkem kvantového počítání je také kvantová komunikace. Ta zahrnuje výzkum v oblasti přenosu kvantové informace a s tím související otázky bezpečnosti (kryptografie). Zajímavou vlastností kvantové komunikace je například nemožnost přesně kopírovat neznámý kvantový stav, což dává nástroj k zamezení klasického odposlechu na kvantové přenosové lince.

Příprava kvantových stavů světla

Kvantové stavy Důležitou ingrediencí všech kvantově-informačních protokolů je příprava vhodných vstupních stavů světla, které mohou nést informaci. V naší laboratoři provádíme výzkum také v oblasti konstrukce lineárně-optických uspořádání, která mají zajímavé kvantové stavy fotonových párů připravovat. Jako příklad takového experimentu je zdroj tzv. Knill-Laflamme-Milburnových stavů světla.

Spektroskopie s časovým rozlišením

Streak kamera Částečně mimo výše uvedenou oblast kvantového zpracování informace stojí laboratorní měření optických spekter s časovým rozlišením pomocí rozmítací kamery. Toto zařízení umožňuje pozorovat jevy až s rozlišením jedné pikosekundy. V kombinaci s výkonným femtosekundovým laserem je rozmítací kamera velice užitečným nástrojem při optické charakterizaci například nanočástic nebo organických molekul.

Stručný životopis

Osobní údaje:

  • narozen 9. srpna 1984 v Kadani, Česká republika
  • ženatý, 1 syn

Vzdělání:

  • 1997 – 2003
Slovanské gymnázium Olomouc,

Česko-francouzská sekce

  • 2003 – 2006
bakalářské studium, Univerzita Palackého v Olomouci,

Optika a optoelektronika

  • 2006 – 2008
magisterské studium, Univerzita Palackého v Olomouci,

Optika a optoelektronika

  • 2008 – 2012
doktorské studium, Univerzita Palackého v Olomouci,

Optika a optoelektronika

Profesní kariéra:

  • 2004 – 2010
středoškolský pedagog, Slovanské gymnázium Olomouc,

výuka fyziky ve francouzském jazyce

  • 2008 – 2014
vědecký pracovník,

Fyzikální ústav Akademie věd České republiky

  • 2009 – 2012
vědecký pracovník,

Univerzita Palackého v Olomouci

  • 2012 – nyní
akademický pracovník,

Univerzita Palackého v Olomouci

Ocenění:

  • 2012
cena Werner von Siemens za nejlepší doktorskou práci
  • 2013
výroční cena RCPTM

Zahraniční pobyty a stáže:

  • 2008
letní kvantová škola, Hven, Švédsko
  • 2010
vědecko-výzkumná stáž, Notre Dame University, Indiana, USA
  • 2013 – nyní
série krátkodobých výzkumných pobytů,

Univerzita Adama Mickiewicze, Poznaň, Polsko

Významné publikace:

Experimentální realizace optimálních hradel pro kontrolovanou unitární operaci

[K. Lemr, K. Bartkiewicz, A. Černoch, M. Dušek, J. Soubusta, Phys. Rev. Lett. 114, 153602 (2015)]

Lemr_PRL Efektivní konstrukce kvantových hradel je klíčovým předpokladem pro praktické kvantové počítání a komunikaci. Experimentálně jsme předvedli, jak sestavit optimální hradlo pro kontrolovanou unitární transformaci s použitím lineární optiky. Toto hradlo je mimořádně důležité, protože je klíčovým stavebním kamenem kvantových obvodů. Místo použití dvou běžných hradel CNOT jsme použili jedno laditelné hradlo pro kontrolovanou změnu fáze. Takto jsme přibližně o jeden řád zvýšili pravděpodobnosti úspěchu.

Odposlech kvantové kryptografie pomocí kvantového klonování

[K. Bartkiewicz, K. Lemr, A. Černoch, J. Soubusta, A. Miranowicz, Phys. Rev. Lett. 110, 173601 (2013)]

Hradlo pro kontrolovanou změnu fáze Kvantová kryptografie je metoda pro bezpečný přenos informace. I zde však existují možnosti, jak se pokusit takový přenos odposlechnout. Jednu z nich, kvantové klonování, jsme experimentálně provedli v naší labratoři. Výzkum jsme publikovali v odborném časopise Physical Review Letters, ale také v řadě populárních novinových článcích.

Laditelné lineárně-optické hradlo pro kontrolovanou změnu fáze

[K. Lemr, A. Černoch, J. Subusta, K. Kieling, J. Eisert, M. Dušek, Phys. Rev. Lett. 106, 013602 (2011)]

Hradlo pro kontrolovanou změnu fáze V naší laboratoři jsme v roce 2011 sestavili speciální kvantové hradlo využivající jendotlivé fotony jako nosiče informace. Toto hradlo patří mezi nejvýznamnější stavební bloky budoucích kvantových počítačů a kvantových komunikačních sítí. Výsledky našeho experimentu jsme publikovali v prestižním časopise Physical Review Letters. Na tento výzkum jsme pak ještě navázali sadou dalších publikací detailně analyzujících vlastnosti tohoto hradla.

Zvané přednášky:

  • K. Lemr et al., „Linear-optical quantum routers,“ QEINO 2013, Poznaň (Polsko)
  • K. Lemr et al., „Optimal linear-optical tunable controlled phase gate and related research,“ QEIB 2012, Poznaň (Polsko)
  • K. Lemr et al., „Quantum information in the Joint Laboratory of Optics – last three years of photon pairs,“ QEIB 2012, Poznaň (Polsko)
  • K. Lemr „Quantum information processing in Olomouc,“ Notre Dame University 2010, Indiana (USA)

Mezinárodní spolupráce:

Poland dr. Karol Bartkiewicz

Univerzita Adama Mickiewicze, Poznaň (Polsko)

prof. Pawel Horodecki

Nat. Quant. Inf. Cent. in Gdańsk (Polsko)

prof. Karol Zyczkowski

Polská akademie věd (Polsko)

dr. Magdalena Stobinska

Univerzita v Gdańsku (Polsko)

Japan prof. Adam Miranowicz

RIKEN (Japan)

prof. Franco Nori

RIKEN (Japan)

Canada prof. Thomas Jennewein

University of Waterloo (Kanada)

dr. Evan Meyer-Scott

University of Waterloo (Kanada)

Germany prof. Jens Eisert

University of Potsdam (Německo)

dr. Konrad Kieling

University of Potsdam (Německo)

Italy prof. Maria Bondani

CNISM UdR Como (Itálie)

dr. Alessia Allevi

CNISM UdR Como (Itálie)

Vybrané grantové projekty:

  • Lineárně-optické kvantové hradlo pro podmíněnou změnu fáze a jeho využití (GAČR, 2013 – 2015), řešitel
  • Výzkumné centrum – Optické struktury, detekční systémy a podobné technologie pro nízkofotonové aplikace (1M06002, MŠMT, 2006 – 2011)
  • Koherenční a nelineární optika – vybrané kapitoly (IGA UP, 3/2010 – 2/2011), řešitel
  • Vytvoření praktických úloh pro výuku kvantové a nelineární optiky (MŠMT, 2011), řešitel

Vyučované předměty:

  • SLO/BEM3, SLO/BENF – Experimentální metody pro nanofotoniku
  • SLO/BZDF – Zdroje a detektory pro nanofotoniku
  • SLO/ZF1 – Základy fotoniky 1
  • SLO/FTB – Fyzikální teorie barev

Vedené kvalifikační práce:

  • Marek Bula: Konstrukce a návrh zařízení pro kvantovou informaci (diplomová práce, řešená)
  • Vojtěch Trávníček: Charakterizace rozmítací kamery (bakalářská práce, řešená)
  • Jiří Beran: Studium hradla pro kontrolovanou změnu fáze (bakalářská práce, řešená)
  • Richard Jusku: Měření časově rozlišených spekter vybraných organických izomerů (bakalářská práce, řešená)
  • Marek Bula: Konstrukce vláknového Mach-Zehnderova interferometru s proměnnými dělicími poměry (bakalářská práce, obhájeno 2012)