Jednofotonový zdroj - Single-photon source

Zdroje s jedním fotonem jsou světelné zdroje, které vyzařují světlo jako jednotlivé částice nebo fotony . Liší se od koherentních světelných zdrojů ( laserů ) a tepelných světelných zdrojů, jako jsou žárovky . Tyto Heisenbergův princip neurčitosti diktuje, že nelze vytvořit stát s přesným počtem fotonů o jediném kmitočtu. Nicméně Fock stavy (nebo číslo stavy) lze studovat na systém, kde je elektrické pole je amplituda distribuován v úzkém pásmu. V této souvislosti zdroj jednoho fotonu vede k efektivnímu stavu jednoho fotonu. Fotony z ideálního zdroje s jedním fotonem vykazují kvantově mechanické vlastnosti. Tyto vlastnosti zahrnují fotonové antibunchování , takže doba mezi dvěma po sobě následujícími fotony není nikdy menší než nějaká minimální hodnota. To je obvykle demonstrováno použitím rozdělovače paprsků k nasměrování přibližně poloviny dopadajících fotonů k jedné lavinové fotodiodě a poloviny směrem k druhé. Impulsy z jednoho detektoru se používají k zajištění signálu „počátečního startu“ do rychlého elektronického časovače a druhý, zpožděný známým počtem nanosekund, se používá k poskytnutí signálu „zastavení čítače“. Opakovaným měřením časů mezi signály „start“ a „stop“ lze vytvořit histogram časového zpoždění mezi dvěma fotony a počtem koincidencí- pokud nedochází ke shlukování a fotony jsou skutečně dobře rozmístěny, jasný zářez kolem nulového zpoždění je viditelný.

Dějiny

Ačkoli koncept jediného fotonu navrhl Planck již v roce 1900, skutečný zdroj jednoho fotonu byl vytvořen izolovaně až v roce 1974. Toho bylo dosaženo využitím kaskádového přechodu uvnitř atomů rtuti. Jednotlivé atomy vyzařují v kaskádovém přechodu dva fotony na různých frekvencích a spektrálním filtrováním světla lze pozorování jednoho fotonu využít k „ohlašování“ druhého. Pozorování těchto jednotlivých fotonů bylo charakterizováno jeho antikorelací na dvou výstupních portech rozdělovače paprsků podobným způsobem jako slavný experiment Hanbury Brown a Twiss z roku 1956.

Další jednofotonový zdroj přišel v roce 1977, který využíval fluorescenci ze zeslabeného paprsku atomů sodíku. Paprsek atomů sodíku byl zeslaben tak, že k pozorovanému fluorescenčnímu záření v jednom okamžiku nepřispěl více než jeden nebo dva atomy. Tímto způsobem produkovaly světlo pouze jednotlivé zářiče a pozorovaná fluorescence vykazovala charakteristické antibunchování. Izolace jednotlivých atomů pokračovala v polovině 80. let iontovými pastmi. Jediný iont mohl být držen v radiofrekvenční Paulově pasti po delší dobu (10 minut), a tak působit jako jediný emitor více jednotlivých fotonů jako v experimentech Diedricha a Walthera. Současně se začal využívat nelineární proces parametrické down konverze a od té doby až do současnosti se stal tahounem experimentů vyžadujících jednotlivé fotony.

Pokroky v mikroskopii vedly na konci 80. let k izolaci jednotlivých molekul. Následně se jednotlivé pentacen molekuly byly detekovány v p - terfenyl krystalů. Jednotlivé molekuly se začaly využívat jako zdroje s jedním fotonem.

V průběhu 21. století se objevila centra defektů v různých materiálech v pevné fázi, zejména diamant, karbid křemíku a nitrid boru. nejvíce studovanou vadou jsou centra prázdných dusíku (NV) v diamantu, která byla použita jako zdroj jednotlivých fotonů. Tyto zdroje spolu s molekulami mohou využít silné omezení světla (zrcadla, mikrorezonátory, optická vlákna, vlnovody atd.) Ke zvýšení emise center NV. Stejně jako centra a molekuly NV mohou kvantové tečky (QD), funkcionalizované uhlíkové nanotrubice a dvourozměrné materiály také emitovat jednotlivé fotony a mohou být konstruovány ze stejných polovodičových materiálů jako struktury omezující světlo. Poznamenává se, že jednotlivé zdroje fotonů na telekomunikační vlnové délce 1 550 nm jsou velmi důležité v komunikaci s optickými vlákny a většinou se jedná o QD indium arsenidu. Nicméně vytvořením kvantového rozhraní downconversion z viditelných zdrojů jednoho fotonu lze stále vytvořit jeden foton při 1550 nm se zachovaným antibunchem.

Vzrušující atomy a excitony na vysoce interagující úrovně Rydbergu zabraňují více než jednomu buzení nad takzvaným blokádním objemem. Rydbergova excitace v malých atomových souborech nebo krystalech by tedy mohla fungovat jako jeden fotonový zářič.

Definice

V kvantové teorii fotony popisují kvantované elektromagnetické záření . Konkrétně, foton je elementární excitace v normálním režimu v elektromagnetického pole . Jednofotonový stav je tedy kvantový stav radiačního režimu, který obsahuje jediné buzení.

Jednotlivé režimy záření jsou mimo jiné označeny frekvencí elektromagnetického záření, které popisují. V kvantové optice však stavy jednoho fotonu také odkazují na matematické superpozice režimů jednofrekvenčního ( monochromatického ) záření. Tato definice je dostatečně obecná, aby zahrnovala pakety fotonových vln , tj. Stavy záření, které jsou do určité míry lokalizovány v prostoru a čase.

Zdroje s jedním fotonem generují stavy s jedním fotonem, jak je popsáno výše. Jinými slovy, ideální zdroje s jedním fotonem generují záření s distribucí počtu fotonů, která má průměrnou hodnotu jedna a rozptyl nulovou.

Charakteristika

Ideální zdroj s jedním fotonem vytváří jednofotonové stavy se 100% pravděpodobností a stavy optického vakua nebo více fotonů s 0% pravděpodobností. Mezi žádoucí vlastnosti jednofotonových zdrojů v reálném světě patří účinnost, robustnost, snadná implementace a povaha na vyžádání, tj. Generování jednotlivých fotonů v libovolně zvolených časech. Zdroje s jedním fotonem, včetně jednotlivých zářičů, jako jsou jednotlivé atomy, ionty a molekuly, a včetně zářičů v pevné fázi, jako jsou kvantové tečky , barevná centra a uhlíkové nanotrubičky, jsou na vyžádání. V současné době existuje mnoho aktivních nanomateriálů zpracovaných do jednotlivých kvantových zářičů, kde by jejich spontánní emise mohla být vyladěna změnou místní hustoty optických stavů v dielektrických nanostrukturách. Dielektrické nanostruktury jsou obvykle navrženy v heterostrukturách, aby se zlepšila interakce světelné hmoty, a tím se dále zlepšila účinnost těchto zdrojů jednotlivých fotonů. Jiný typ zdroje zahrnuje nedeterministické zdroje, tj. Nikoli na vyžádání, a zahrnují příklady, jako jsou slabé lasery, atomové kaskády a parametrická down-konverze .

Jednofotonovou povahu zdroje lze kvantifikovat pomocí korelační funkce druhého řádu . Ideální jednofotonové zdroje ukazují a dobré jednofotonové zdroje mají malé . Korelační funkci druhého řádu lze měřit pomocí Hanburyho-Brownova-Twissova jevu .

Typy

Generování jednoho fotonu nastane, když zdroj vytvoří pouze jeden foton během své fluorescenční životnosti poté, co byl opticky nebo elektricky excitován. Ideální jednofotonový zdroj musí být teprve vytvořen. Vzhledem k tomu, že hlavními aplikacemi vysoce kvalitního zdroje jednoho fotonu jsou distribuce kvantových klíčů , kvantové opakovače a kvantová informační věda , generované fotony by měly mít také vlnovou délku, která by při cestování optickým vláknem poskytovala nízké ztráty a útlum. V současné době jsou nejběžnějšími zdroji jednotlivých fotonů jednotlivé molekuly, atomy Rydberg, barevná centra diamantů a kvantové tečky, přičemž poslední z nich je široce studována se snahou mnoha výzkumných skupin o realizaci kvantových teček, které fluoreskují jednotlivé fotony při pokojové teplotě s fotony na nízké úrovni okno ztráty komunikace s optickými vlákny . Pro mnoho účelů je potřeba, aby jednotlivé fotony byly proti seskupení, a to lze ověřit.

Slabý laser

Jeden z prvních a nejjednodušších zdrojů byl vytvořen útlumem konvenčního laserového paprsku, aby se snížila jeho intenzita a tím i průměrné číslo fotonu na puls. Protože fotonová statistika sleduje Poissonovu distribuci, lze dosáhnout zdrojů s dobře definovaným poměrem pravděpodobnosti pro emise jeden versus dva nebo více fotonů. Například střední hodnota μ = 0,1 vede k pravděpodobnosti 90% pro nulové fotony, 9% pro jeden foton a 1% pro více než jeden foton.

Ačkoli takový zdroj lze použít pro určité aplikace, má korelační funkci intenzity druhého řádu rovnou jedné (žádné antibunching ). Pro mnoho aplikací je však nutné antibunching, například v kvantové kryptografii .

Ohlášené jednotlivé fotony

Páry jednotlivých fotonů lze generovat ve vysoce korelovaných stavech z použití jednoho vysokoenergetického fotonu k vytvoření dvou nižších energetických. Jeden foton z výsledného páru může být detekován, aby 'předznamenal' druhý (takže jeho stav je před detekcí docela dobře znám). Oba fotony nemusí mít obecně stejnou vlnovou délku, ale celková energie a výsledná polarizace jsou definovány procesem generování. Jednou oblastí živého zájmu o takové páry fotonů je QKD .

Ohlášené zdroje s jedním fotonem se také používají ke zkoumání základních fyzikálních zákonů v kvantové mechanice. Existují dva běžně používané typy ohlašovaných jednofotonových zdrojů: spontánní parametrická down-konverze a spontánní čtyřvlnové míchání. První zdroj má šířku řádku kolem THz a druhý má šířku řádku kolem MHz nebo užší. Ohlášený jeden foton byl použit k demonstraci ukládání a načítání fotoniky do optické dutiny.

Reference

Bibliografie