Źródło jednofotonowe - Single-photon source

Źródła pojedynczych fotonów są źródła światła , które emitują światło w postaci pojedynczych cząstek lub fotonów . Różnią się one od spójnych źródeł światła ( lasery ) i termicznych źródeł światła, takich jak żarówki żarowe . W Heisenberga zasada nieoznaczoności mówi, że państwo o dokładnej liczby fotonów o jednej częstotliwości nie mogą być tworzone. Jednak stany Focka (lub stany liczbowe) mogą być badane dla systemu, w którym amplituda pola elektrycznego jest rozłożona w wąskim paśmie. W tym kontekście źródło jednofotonowe powoduje powstanie efektywnie jednofotonowego stanu liczbowego. Fotony z idealnego źródła pojedynczego fotonu wykazują właściwości kwantowo-mechaniczne . Te cechy obejmują antybunching fotonów , tak że czas pomiędzy dwoma kolejnymi fotonami nigdy nie jest mniejszy niż pewna minimalna wartość. Jest to zwykle demonstrowane przy użyciu dzielnika wiązki, który kieruje około połowy padających fotonów na jedną fotodiodę lawinową, a połowę na drugą. Impulsy z jednego detektora są wykorzystywane do dostarczania sygnału „startu licznika” do szybkiego zegara elektronicznego, a drugi, opóźniony o znaną liczbę nanosekund, jest wykorzystywany do dostarczania sygnału „zatrzymania licznika”. Wielokrotnie mierząc czasy między sygnałami „start” i „stop”, można utworzyć histogram opóźnienia czasowego między dwoma fotonami i zliczenie koincydencji - jeśli grupowanie nie występuje, a fotony są rzeczywiście dobrze rozmieszczone, wyraźne wycięcie wokół zerowego opóźnienia jest widoczny.

Historia

Chociaż koncepcja pojedynczego fotonu została zaproponowana przez Plancka już w 1900 roku, prawdziwe źródło pojedynczego fotonu nie zostało stworzone w izolacji aż do 1974 roku. Udało się to osiągnąć dzięki wykorzystaniu przejścia kaskadowego w atomach rtęci. Poszczególne atomy emitują dwa fotony o różnych częstotliwościach w przejściu kaskadowym, a dzięki filtrowaniu widmowemu światła obserwacja jednego fotonu może zostać wykorzystana do „zapowiedzi” drugiego. Obserwacja tych pojedynczych fotonów charakteryzowała się antykorelacją na dwóch portach wyjściowych dzielnika wiązki w podobny sposób jak w słynnym eksperymencie Hanbury Brown i Twiss z 1956 roku.

Kolejne źródło pojedynczego fotonu pojawiło się w 1977 roku, wykorzystując fluorescencję z osłabionej wiązki atomów sodu. Wiązka atomów sodu została osłabiona tak, że do obserwowanego promieniowania fluorescencyjnego jednorazowo przyczyniało się nie więcej niż jeden lub dwa atomy. W ten sposób tylko pojedyncze emitery wytwarzały światło, a obserwowana fluorescencja wykazywała charakterystyczne przeciwdziałanie tworzeniu się grup. Izolacja pojedynczych atomów była kontynuowana z pułapkami jonowymi w połowie lat 80. XX wieku. Pojedynczy jon może być utrzymywany w pułapce Paula o częstotliwości radiowej przez dłuższy czas (10 min), działając w ten sposób jako pojedynczy emiter wielu pojedynczych fotonów, jak w eksperymentach Diedricha i Walthera. W tym samym czasie zaczęto wykorzystywać nieliniowy proces parametrycznej konwersji w dół, który od tej pory aż do dziś stał się koniem pociągowym eksperymentów wymagających pojedynczych fotonów.

Postępy w mikroskopii doprowadziły pod koniec lat 80. do izolacji pojedynczych cząsteczek. Następnie wykryto pojedyncze cząsteczki pentacenu w kryształach p - terfenylu . Pojedyncze cząsteczki zaczęto wykorzystywać jako źródła pojedynczych fotonów.

W XXI wieku pojawiły się ogniska defektów w różnych materiałach półprzewodnikowych, w szczególności w diamencie, węgliku krzemu i azotku boru. najbardziej zbadanym defektem są centra wakansów azotu (NV) w diamencie, który był wykorzystywany jako źródło pojedynczych fotonów. Źródła te wraz z molekułami mogą wykorzystywać silne ograniczenie światła (lustra, mikrorezonatory, światłowody, falowody itp.) w celu zwiększenia emisji centrów NV. Oprócz centrów i molekuł NV, kropki kwantowe (QD), funkcjonalizowane nanorurki węglowe i materiały dwuwymiarowe mogą również emitować pojedyncze fotony i mogą być zbudowane z tych samych materiałów półprzewodnikowych, co struktury ograniczające światło. Należy zauważyć, że źródła pojedynczych fotonów o długości fali telekomunikacyjnej 1550 nm są bardzo ważne w komunikacji światłowodowej i są to głównie kwanty kwantowe z arsenku indu. Jednak tworząc interfejs kwantowy z konwersją w dół z widocznych źródeł pojedynczych fotonów, nadal można wytworzyć pojedynczy foton przy długości fali 1550 nm z zachowanym przeciwdziałaniem wiązkom.

Ekscytujące atomy i ekscytony do silnie oddziałujących poziomów Rydberg zapobiega więcej niż jednemu wzbudzeniu w tak zwanej objętości blokady. Stąd wzbudzenie Rydberga w małych zespołach atomowych lub kryształach może działać jak pojedyncze emitery fotonów.

Definicja

W teorii kwantowej fotony opisują skwantowane promieniowanie elektromagnetyczne . Konkretnie, fotonu elementarna wzbudzenie trybu normalnego w polu elektromagnetycznym . Zatem stan pojedynczego fotonu jest stanem kwantowym modu promieniowania, który zawiera pojedyncze wzbudzenie.

Mody pojedynczego promieniowania są oznaczone m.in. częstotliwością opisywanego przez nie promieniowania elektromagnetycznego. Jednak w optyce kwantowej stany jednofotonowe odnoszą się również do matematycznych superpozycji modów promieniowania jednoczęstotliwościowego ( monochromatycznego ). Definicja ta jest na tyle ogólna, że ​​obejmuje pakiety fal fotonowych , tj. stany promieniowania, które są do pewnego stopnia zlokalizowane w przestrzeni i czasie.

Źródła jednofotonowe generują stany jednofotonowe, jak opisano powyżej. Innymi słowy, idealne źródła jednofotonowe generują promieniowanie o rozkładzie liczby fotonów o średniej jedności i zerowej wariancji.

Charakterystyka

Idealne źródło pojedynczego fotonu wytwarza stany jednofotonowe z prawdopodobieństwem 100% oraz próżnię optyczną lub stany wielofotonowe z prawdopodobieństwem 0%. Pożądane właściwości rzeczywistych źródeł jednofotonowych obejmują wydajność, niezawodność, łatwość implementacji i charakter na żądanie, tj. generowanie pojedynczych fotonów w dowolnie wybranym czasie. Źródła pojedynczych fotonów, w tym pojedyncze emitery, takie jak pojedyncze atomy, jony i cząsteczki, a także emitery półprzewodnikowe, takie jak kropki kwantowe , centra barwne i nanorurki węglowe, są dostępne na żądanie. Obecnie istnieje wiele aktywnych nanomateriałów skonstruowanych w celu stworzenia pojedynczych emiterów kwantowych, w których ich spontaniczną emisję można dostroić poprzez zmianę lokalnej gęstości stanów optycznych w nanostrukturach dielektrycznych. Nanostruktury dielektryczne są zwykle projektowane w obrębie heterostruktur w celu zwiększenia interakcji światło-materia, a tym samym dalszej poprawy wydajności tych pojedynczych źródeł fotonów. Inny rodzaj źródeł obejmuje źródła niedeterministyczne, tj. nie na żądanie, a wśród nich są takie przykłady, jak słabe lasery, kaskady atomowe i parametryczna konwersja w dół .

Jednofotonową naturę źródła można skwantować za pomocą funkcji korelacji drugiego rzędu . Idealne źródła jednofotonowe pokazują, a dobre źródła jednofotonowe mają małe . Funkcję korelacji drugiego rzędu można zmierzyć za pomocą efektu Hanbury-Browna-Twissa . ${\ Displaystyle g ^ {(2)} (\ tau )}$${\ Displaystyle g ^ {(2)} (0) = 0}$${\ Displaystyle g ^ {(2)} (0)}$

Rodzaje

Generowanie pojedynczego fotonu następuje, gdy źródło wytwarza tylko jeden foton w czasie swojego życia fluorescencji po wzbudzeniu optycznym lub elektrycznym. Idealne źródło jednofotonowe nie zostało jeszcze stworzone. Biorąc pod uwagę, że głównymi zastosowaniami wysokiej jakości źródła pojedynczego fotonu są dystrybucja klucza kwantowego , wzmacniacze kwantowe i informatyka kwantowa , generowane fotony powinny również mieć długość fali, która zapewniałaby niskie straty i tłumienie podczas podróży przez światłowód. Obecnie najczęstszymi źródłami pojedynczych fotonów są pojedyncze cząsteczki, atomy Rydberga, diamentowe centra barwne i kropki kwantowe, przy czym te ostatnie są szeroko badane dzięki wysiłkom wielu grup badawczych, aby uzyskać kropki kwantowe, które fluoryzują pojedyncze fotony w temperaturze pokojowej z fotonami w niskich okno strat komunikacji światłowodowej . Do wielu celów pojedyncze fotony muszą być skondensowane i można to zweryfikować.

Słaby laser

Jedno z pierwszych i najłatwiejszych źródeł zostało stworzone przez tłumienie konwencjonalnej wiązki laserowej w celu zmniejszenia jej intensywności, a tym samym średniej liczby fotonów na impuls. Ponieważ statystyki fotonów są zgodne z rozkładem Poissona, można uzyskać źródła o dobrze zdefiniowanym współczynniku prawdopodobieństwa dla emisji jednego w porównaniu do dwóch lub więcej fotonów. Na przykład średnia wartość μ = 0,1 prowadzi do prawdopodobieństwa 90% dla zera fotonów, 9% dla jednego fotonu i 1% dla więcej niż jednego fotonu.

Chociaż takie źródło może być używane do pewnych zastosowań, ma funkcję korelacji intensywności drugiego rzędu równą jeden (brak przeciwdziałania wiązce ). Jednak w wielu zastosowaniach wymagane jest przeciwdziałanie grupowaniu, na przykład w kryptografii kwantowej .

Zapowiadane pojedyncze fotony

Pary pojedynczych fotonów mogą być generowane w wysoce skorelowanych stanach poprzez użycie pojedynczego fotonu o wysokiej energii do stworzenia dwóch fotonów o niższej energii. Jeden foton z powstałej pary może zostać wykryty, aby „zapowiedzieć” drugi (więc jego stan jest dość dobrze znany przed wykryciem). Dwa fotony nie muszą mieć zasadniczo tej samej długości fali, ale całkowita energia i wynikająca z niej polaryzacja są określane przez proces generowania. Jednym z obszarów zainteresowania takimi parami fotonów jest QKD .

Zapowiadane źródła pojedynczych fotonów są również wykorzystywane do badania podstawowych praw fizyki w mechanice kwantowej. Istnieją dwa powszechnie stosowane typy zwiastowanych źródeł jednofotonowych: spontaniczna parametryczna konwersja w dół i spontaniczne mieszanie czterofalowe. Pierwsze źródło ma szerokość około THz, a drugie ma szerokość około MHz lub węższą. Zapowiadany pojedynczy foton został wykorzystany do zademonstrowania przechowywania i ładowania fotoniki do wnęki optycznej.

Bibliografia

Bibliografia

• R. Loudon, Kwantowa teoria światła, Oxford University Press, wydanie 3 (2000).
• Planck, M. (1900). „Über eine Verbesserung der Wienschen Spektralgleichung”. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft . 2 : 202–204.Tłumaczone przez ter Haar, D. (1967). „W sprawie poprawy równania Wien dla widma” (PDF) . Stara teoria kwantów . Pergamon Prasa . s. 79–81. LCCN  66029628 .