Джерело одиничних фотонів

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Джерело одиничних фотонів — це джерело світла, що випромінює світло у вигляді поодиноких частинок або фотонів. Воно відрізняється від когерентних джерел світла (лазер) і теплових джерел світла, таких як лампи розжарення. Принцип невизначеності Гейзенберга диктує, що стан з точною кількістю фотонів однієї частоти не може бути створений. Однак стани Фока (або числові стани) можна вивчити для системи, де амплітуда електричного поля розподілена по вузькій смузі пропускання. У цьому контексті однофотонне джерело породжує фактично однофотонний номерний стан. Фотони з ідеального однофотонного джерела мають квантово-механічну характеристику. Ці характеристики включають антигрупування фотонів[en], так що час між двома послідовними фотонами ніколи не менше якогось мінімального значення.

Це зазвичай демонструється за допомогою дільника променя, щоб направити приблизно половину падаючих фотонів на один лавинний фотодіод[en], а половину — на другий. Імпульси від одного детектора використовуються для подачі сигналу «зустрічного старту» швидкому електронному таймеру, а інший, затриманий на відому кількість наносекунд, використовується для подачі сигналу «зупинки лічильника». Повторно вимірюючи час між сигналами «старт» і «стоп», можна сформувати гістограму затримки часу між двома фотонами та кількістю збігів — якщо групування не відбувається, а фотони дійсно розташовані добре, чітко видно виріз навколо нульової затримки.

Історія[ред. | ред. код]

Хоча концепція одиничного фотону була запропонована Планком ще в 1900 році,[1] справжнє однофотонне джерело було створено ізольовано лише в 1974 р. Це було досягнуто за допомогою каскадного переходу в межах атомів ртуті.[2] Окремі атоми випромінюють два фотони з різними частотами в каскадному переході, і за допомогою спектральної фільтрації світла спостереження одного фотона може бути використано для оголошення іншого. Спостереження за цими поодинокими фотонами характеризувалось антикореляцією на двох вихідних портах дільника променя подібно до відомого експерименту Хенбері Брауна та Твісса 1956 року.[3]

Інше однофотонне джерело, яке з'явилося в 1977 р., використовувало флюоресценцію від ослабленого пучка атомів натрію.[4] Пучок атомів натрію був ослаблений таким чином, щоб не більше одного або двох атомів одночасно робили внесок у спостережуване флуоресцентне випромінювання. Таким чином, лише поодинокі випромінювачі виробляли світло, і спостережувана флуоресценція виявляла характерну антигрупову дію. Виділення окремих атомів продовжувалось з іонними пастками в середині 1980-х. Один іон міг утримуватися в радіочастотній квадрупольній пастці протягом тривалого періоду часу (10 хв), таким чином, діючи як одиничний випромінювач декількох одиничних фотонів, як в експериментах Дідріха та Вальтера.[5] У той же час почав застосовуватися нелінійний процес спонтанного параметричного розсіяння, і з тих пір і до сьогодні він став робочою конячкою експериментів, що вимагають одиничних фотонів. Досягнення мікроскопії призвели до виділення одиничних молекул наприкінці 1980-х.[6] Згодом одиничні молекули пентацену[en] були виявлені в кристалах пара-терфенілу[en].[7] Поодинокі молекули почали використовуватись як однофотонні джерела.[8]

Протягом XXI століття виявлені центри дефектів у різних твердих матеріалах,[9] перш за все алмазі, карбіді кремнію[10][11] та нітриді бору.[12] Найбільш дослідженим дефектом є азотно-заміщена вакансія (АЗВ) в алмазі, яка використовувалася як джерело одиничних фотонів.[13] Ці молекулярні джерела можуть використовувати засоби обмеження світла (дзеркала, мікрорезонатори, оптичні волокна, хвилеводи тощо) для посилення випромінювання центрів АЗВ. Як і АЗВ та молекули, квантові точки (КТ),[14] функціоналізовані вуглецеві нанотрубки,[15][16] і двовимірні матеріали[en][17][18][19][20][21][22][23] можуть також випромінювати поодинокі фотони і можуть бути побудовані з тих самих напівпровідникових матеріалів, що і світлоутримуючі структури. Відзначається, що джерела одиничних фотонів на довжині хвилі 1550 нм дуже важливі для оптоволоконного зв'язку, і це в основному КТ арсеніду індію.[24][25] Однак, створюючи квантовий інтерфейс спонтанного параметричного розсіяння з видимих джерел одиничних фотонів, все одно можна створити одиночний фотон при 1550 нм із збереженим антигрупуванням.[26]

Збуджені атоми та екситони до сильно взаємодіючих рівнів Рідберга запобігають більш ніж одному збудженню над так званим блокуючим обсягом. Невеликі ансамблі і кристали можуть виступати як джерело одиничних фотонів.[27][28]

Визначення[ред. | ред. код]

У квантовій теорії фотони описуються квантуванням електромагнітного випромінювання. Зокрема, фотон — це елементарне збудження нормальної моди електромагнітного поля. Таким чином, однофотонний стан — це квантовий стан моди випромінювання, що містить одне збудження.

Поодинокі моди випромінювання позначаються, серед іншого, частотою електромагнітного випромінювання, яку вони описують. Однак у квантовій оптиці однофотонні стани також відносяться до математичних суперпозицій одночастотних (монохроматичних) мод випромінювання.[29] Це визначення досить загальне, щоб включити фотонні хвильові пакети, тобто стани випромінювання, які певною мірою локалізовані в просторі та часі.

Джерела одиничних фотонів генерують однофотонні стани, як описано вище. Іншими словами, ідеальні джерела одиничних фотонів генерують випромінювання із розподілом кількості фотонів[en], який має математичне очікування 1 та дисперсію 0.[30]

Характеристики[ред. | ред. код]

Ідеальне джерело одиничних фотонів створює однофотонні стани зі 100 % ймовірністю, а оптичний вакуум або багатофотонні стани з імовірністю 0 %. Бажані властивості реальних однофотонних джерел включають ефективність, надійність, простоту реалізації та здатність працювати «на вимогу», тобто генерацію одиничних фотонів у довільно обраний момент часу. Джерела одиничних фотонів, включаючи одиничні випромінювачі, такі як одиничні атоми, іони та молекули, включаючи твердотільні випромінювачі, такі як квантові точки, АЗВ та вуглецеві нанотрубки працюють за запитом.[30]

У даний час існує багато активних наноматеріалів, з яких сконструйовані одиничні квантові випромінювачі, де їх спонтанне випромінювання може бути налаштовано шляхом зміни локальної щільності оптичних станів в діелектричних наноструктурах. Діелектричні наноструктури зазвичай проектуються в межах гетероструктури для посилення взаємодії речовини і світла і, таким чином, подальшого підвищення ефективності цих джерел одиничних фотонів.[31][32] Інший тип джерела включає недетерміновані джерела, тобто не за запитом, і вони включають такі приклади, як слабкі лазери, атомні каскади та спонтанне параметричне розсіяння.

Однофотонну природу джерела можна квантувати за допомогою кореляційної функції другого порядку[en] . Ідеальні джерела одиничних фотонів мають , а хороші джерела одиничних фотонів мають малі . Кореляційну функцію другого порядку можна виміряти за допомогою ефекту Хенбері-Брауна – Твісса[en].

Типи[ред. | ред. код]

Генерування одиничного фотона відбувається, коли джерело створює лише один фотон протягом свого часу флуоресценції після оптичного або електричного збудження. Ідеального однофотонного джерела ще не створено. Враховуючи, що основними застосуваннями високоякісного однофотонного джерела є квантовий розподіл ключа, квантові повторювачі[33] та квантова інформатика, генеровані фотони також повинні мати довжину хвилі, яка даватиме низькі втрати та ослаблення при проходженні через оптичне волокно. У наш час найпоширенішими джерелами поодиноких фотонів є одиничні молекули, атоми Рідберга,[34][35] АЗВ в алмазах та квантові точки, причому останні широко досліджувались зусиллями багатьох дослідницьких груп з метою реалізації квантових точок, які випромінюють поодинокі фотони при кімнатній температурі з фотонами у вікні низьких втрат оптоволоконного зв'язку. Для багатьох цілей поодинокі фотони повинні бути антигрупованими, і це можна перевірити.

Слабкий лазер[ред. | ред. код]

Одне з перших і найпростіших джерел було створено за допомогою послаблення звичайного лазерного променя для зменшення його інтенсивності, а отже і середнього числа фотонів на імпульс.[36] Оскільки статистика фотонів дотримується розподілу Пуассона, можна отримати джерела з чітко визначеним співвідношенням ймовірностей для випромінювання одного проти двох або більше фотонів. Наприклад, середнє значення μ = 0,1 призводить до ймовірності 90 % для нуля фотонів, 9 % для одного фотона і 1 % для більш ніж одного фотона.[37]

Хоча таке джерело можна використовувати для певних застосувань, воно має кореляційну функцію другого порядку інтенсивністю, яка дорівнює одиниці (немає антигрупування). Однак для багатьох застосувань потрібне антигрупування, наприклад, у квантовій криптографії.

Оголошені одиничні фотони[ред. | ред. код]

Пари одиничних фотонів можуть генеруватися у сильно корельованих станах за допомогою використання одного високоенергетичного фотона для створення двох фотонів нижчих енергій. Один фотон з пари, що утворилася, може бути виявлений, щоб «оголошувати» про інший (тому його стан досить добре відомий до виявлення). Два фотони зазвичай не повинні мати однакову довжину хвилі, але загальна енергія та результуюча поляризація визначаються процесом генерації. Однією з областей, де цікаві такі пари фотонів, є квантовий розподіл ключа.

Оголошені однофотонні джерела також використовуються для вивчення основних законів фізики в квантовій механіці. Є два загальновживані типи оголошених однофотонних джерел: спонтанне параметричне розсіяння та чотирихвильове змішування. Перше джерело має ширину лінії навколо ТГц, а друге — ширину лінії близько МГц або вужче. Оголошений одиночний фотон був використаний для демонстрації зберігання та завантаження фотоніки в оптичну порожнину.

Примітки[ред. | ред. код]

  1. ↑ Planck, M. (1900). Über eine Verbesserung der Wienschen Spektralgleichung. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 202—204.
  2. ↑ Clauser, John F. (1974). Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect. Phys. Rev. D. 9 (4): 853—860. Bibcode:1974PhRvD...9..853C. doi:10.1103/physrevd.9.853. Архів оригіналу за 4 лютого 2021. Процитовано 31 січня 2021.
  3. ↑ Hanbury Brown, R.; Twiss, R. Q. (1956). A test of a new type of stellar interferometer on sirius. Nature. 175 (4541): 1046—1048. Bibcode:1956Natur.178.1046H. doi:10.1038/1781046a0. S2CID 38235692.
  4. ↑ Kimble, H. J.; Dagenais, M.; Mandel, L. (1977). Photon Antibunching in Resonance Fluorescence (PDF). Phys. Rev. Lett. 39 (11): 691—695. Bibcode:1977PhRvL..39..691K. doi:10.1103/physrevlett.39.691. Архів оригіналу (PDF) за 25 листопада 2020. Процитовано 31 січня 2021.
  5. ↑ Diedrich, Frank; Walther, Herbert (1987). Nonclassical Radiation of a Single Stored Ion. Phys. Rev. Lett. 58 (3): 203—206. Bibcode:1987PhRvL..58..203D. doi:10.1103/physrevlett.58.203. PMID 10034869.
  6. ↑ Moerner, W. E.; Kador, L. (22 травня 1989). Optical detection and spectroscopy of single molecules in a solid. Physical Review Letters. 62 (21): 2535—2538. Bibcode:1989PhRvL..62.2535M. doi:10.1103/PhysRevLett.62.2535. PMID 10040013.
  7. ↑ Orrit, M.; Bernard, J. (1990). Single Pentacene Molecules Detected by Fluorescence Excitation in a p-Terphenyl Crystal. Phys. Rev. Lett. 65 (21): 2716—2719. Bibcode:1990PhRvL..65.2716O. doi:10.1103/physrevlett.65.2716. PMID 10042674.
  8. ↑ Basché, T.; Moerner, W.E.; Orrit, M.; Talon, H. (1992). Photon antibunching in the fluorescence of a single dye molecule trapped in a solid. Phys. Rev. Lett. 69 (10): 1516—1519. Bibcode:1992PhRvL..69.1516B. doi:10.1103/PhysRevLett.69.1516. PMID 10046242. Архів оригіналу за 23 вересня 2017. Процитовано 31 січня 2021.
  9. ↑ Aharonovich, Igor; Englund, Dirk; Toth, Milos (2016). Solid-state single-photon emitters. Nature Photonics. 10 (10): 631—641. Bibcode:2016NaPho..10..631A. doi:10.1038/nphoton.2016.186.
  10. ↑ Castelletto, S.; Johnson, B. C.; Ivády, V.; Stavrias, N.; Umeda, T.; Gali, A.; Ohshima, T. (February 2014). A silicon carbide room-temperature single-photon source. Nature Materials. 13 (2): 151—156. Bibcode:2014NatMa..13..151C. doi:10.1038/nmat3806. ISSN 1476-1122. PMID 24240243. Архів оригіналу за 4 лютого 2021. Процитовано 31 січня 2021.
  11. ↑ Lohrmann, A.; Castelletto, S.; Klein, J. R.; Ohshima, T.; Bosi, M.; Negri, M.; Lau, D. W. M.; Gibson, B. C.; Prawer, S.; McCallum, J. C.; Johnson, B. C. (2016). Activation and control of visible single defects in 4H-, 6H-, and 3C-SiC by oxidation. Applied Physics Letters. 108 (2): 021107. Bibcode:2016ApPhL.108b1107L. doi:10.1063/1.4939906.
  12. ↑ Tran, Toan Trong; Bray, Kerem; Ford, Michael J.; Toth, Milos; Aharonovich, Igor (2016). Quantum emission from hexagonal boron nitride monolayers. Nature Nanotechnology. 11 (1): 37—41. arXiv:1504.06521. Bibcode:2016NatNa..11...37T. doi:10.1038/nnano.2015.242. PMID 26501751. S2CID 9840744.
  13. ↑ Kurtsiefer, Christian; Mayer, Sonja; Zarda, Patrick; Weinfurter, Harald (2000). Stable Solid-State Source of Single Photons. Phys. Rev. Lett. 85 (2): 290—293. Bibcode:2000PhRvL..85..290K. doi:10.1103/physrevlett.85.290. PMID 10991265.
  14. ↑ Michler, P.; Kiraz, A.; Becher, C.; Schoenfeld, W. V.; Petroff, P. M.; Zhang, Lidong; Imamoglu, A. (200). A Quantum Dot Single-Photon Turnstile Device. Science. 290 (5500): 2282—2285. Bibcode:2000Sci...290.2282M. doi:10.1126/science.290.5500.2282. PMID 11125136.
  15. ↑ Htoon, Han; Doorn, Stephen K.; Baldwin, Jon K. S.; Hartmann, Nicolai F.; Ma, Xuedan (August 2015). Room-temperature single-photon generation from solitary dopants of carbon nanotubes. Nature Nanotechnology. 10 (8): 671—675. Bibcode:2015NatNa..10..671M. doi:10.1038/nnano.2015.136. ISSN 1748-3395. PMID 26167766.
  16. ↑ He, Xiaowei; Hartmann, Nicolai F.; Ma, Xuedan; Kim, Younghee; Ihly, Rachelle; Blackburn, Jeffrey L.; Gao, Weilu; Kono, Junichiro; Yomogida, Yohei (September 2017). Tunable room-temperature single-photon emission at telecom wavelengths from sp3 defects in carbon nanotubes. Nature Photonics. 11 (9): 577—582. doi:10.1038/nphoton.2017.119. ISSN 1749-4885. OSTI 1379462.
  17. ↑ Tonndorf, Philipp; Schmidt, Robert; Schneider, Robert; Kern, Johannes; Buscema, Michele; Steele, Gary A.; Castellanos-Gomez, Andres; van der Zant, Herre S. J.; Michaelis de Vasconcellos, Steffen (20 квітня 2015). Single-photon emission from localized excitons in an atomically thin semiconductor. Optica. 2 (4): 347. Bibcode:2015Optic...2..347T. doi:10.1364/OPTICA.2.000347. ISSN 2334-2536.
  18. ↑ Chakraborty, Chitraleema; Kinnischtzke, Laura; Goodfellow, Kenneth M.; Beams, Ryan; Vamivakas, A. Nick (June 2015). Voltage-controlled quantum light from an atomically thin semiconductor. Nature Nanotechnology. 10 (6): 507—511. Bibcode:2015NatNa..10..507C. doi:10.1038/nnano.2015.79. ISSN 1748-3387. PMID 25938569.
  19. ↑ Palacios-Berraquero, Carmen; Barbone, Matteo; Kara, Dhiren M.; Chen, Xiaolong; Goykhman, Ilya; Yoon, Duhee; Ott, Anna K.; Beitner, Jan; Watanabe, Kenji (December 2016). Atomically thin quantum light-emitting diodes. Nature Communications. 7 (1): 12978. arXiv:1603.08795. Bibcode:2016NatCo...712978P. doi:10.1038/ncomms12978. ISSN 2041-1723. PMC 5052681. PMID 27667022.
  20. ↑ Palacios-Berraquero, Carmen; Kara, Dhiren M.; Montblanch, Alejandro R.-P.; Barbone, Matteo; Latawiec, Pawel; Yoon, Duhee; Ott, Anna K.; Loncar, Marko; Ferrari, Andrea C. (August 2017). Large-scale quantum-emitter arrays in atomically thin semiconductors. Nature Communications. 8 (1): 15093. arXiv:1609.04244. Bibcode:2017NatCo...815093P. doi:10.1038/ncomms15093. ISSN 2041-1723. PMC 5458119. PMID 28530249.
  21. ↑ Branny, Artur; Kumar, Santosh; Proux, Raphaël; Gerardot, Brian D (August 2017). Deterministic strain-induced arrays of quantum emitters in a two-dimensional semiconductor. Nature Communications. 8 (1): 15053. arXiv:1610.01406. Bibcode:2017NatCo...815053B. doi:10.1038/ncomms15053. ISSN 2041-1723. PMC 5458118. PMID 28530219.
  22. ↑ Wu, Wei; Dass, Chandriker K.; Hendrickson, Joshua R.; Montaño, Raul D.; Fischer, Robert E.; Zhang, Xiaotian; Choudhury, Tanushree H.; Redwing, Joan M.; Wang, Yongqiang (27 травня 2019). Locally defined quantum emission from epitaxial few-layer tungsten diselenide. Applied Physics Letters. 114 (21): 213102. Bibcode:2019ApPhL.114u3102W. doi:10.1063/1.5091779. ISSN 0003-6951.
  23. ↑ He, Yu-Ming; Clark, Genevieve; Schaibley, John R.; He, Yu; Chen, Ming-Cheng; Wei, Yu-Jia; Ding, Xing; Zhang, Qiang; Yao, Wang (June 2015). Single quantum emitters in monolayer semiconductors. Nature Nanotechnology. 10 (6): 497—502. arXiv:1411.2449. Bibcode:2015NatNa..10..497H. doi:10.1038/nnano.2015.75. ISSN 1748-3387. PMID 25938571. S2CID 205454184.
  24. ↑ Birowosuto, M. D.; Sumikura, H.; Matsuo, S.; Taniyama, H.; Veldhoven, P.J.; Notzel, R.; Notomi, M. (2012). Fast Purcell-enhanced single photon source in 1,550-nm telecom band from a resonant quantum dot-cavity coupling. Sci. Rep. 2: 321. arXiv:1203.6171. Bibcode:2012NatSR...2E.321B. doi:10.1038/srep00321. PMC 3307054. PMID 22432053.
  25. ↑ Muller, T.; Skiba-Szymanska, J.; Krysa, A.B.; Huwer, J.; Felle, M.; Anderson, M.; Stevenson, R.M.; Heffernan, J.; Ritchie, D.A.; Shields, A.J. (2018). A quantum light-emitting diode for the standard telecom window around 1,550 nm. Nat. Commun. 9 (1): 862. arXiv:1710.03639. Bibcode:2018NatCo...9..862M. doi:10.1038/s41467-018-03251-7. PMC 5830408. PMID 29491362.
  26. ↑ Pelc, J.S.; Yu, L.; De Greve, K.; McMahon, P.L.; Natarajan, C.M.; Esfandyarpour, V.; Maier, S.; Schneider, C.; Kamp, M.; Shields, A.J.; Höfling, A.J.; Hadfield, R.; Forschel, A.; Yamamoto, Y. (2012). Downconversion quantum interface for a single quantum dot spin and 1550-nm single-photon channel. Opt. Express. 20 (25): 27510—9. arXiv:1209.6404. Bibcode:2012OExpr..2027510P. doi:10.1364/OE.20.027510. PMID 23262701. S2CID 847645.
  27. ↑ Dudin, Y. O.; Kuzmich, A. (18 травня 2012). Strongly Interacting Rydberg Excitations of a Cold Atomic Gas. Science. 336 (6083): 887—889. Bibcode:2012Sci...336..887D. doi:10.1126/science.1217901. ISSN 0036-8075. PMID 22517325. S2CID 206539415.
  28. ↑ Ripka, Fabian; Kübler, Harald; Löw, Robert; Pfau, Tilman (26 жовтня 2018). A room-temperature single-photon source based on strongly interacting Rydberg atoms. Science. 362 (6413): 446—449. arXiv:1806.02120. Bibcode:2018Sci...362..446R. doi:10.1126/science.aau1949. ISSN 0036-8075. PMID 30361371. S2CID 53088432.
  29. ↑ Scully, Marlan O. (1997). Quantum optics. Zubairy, Muhammad Suhail, 1952-. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9780521435956. OCLC 817937365.
  30. ↑ а б Eisaman, M. D.; Fan, J.; Migdall, A.; Polyakov, S. V. (1 липня 2011). Invited Review Article: Single-photon sources and detectors. Review of Scientific Instruments. 82 (7): 071101–071101–25. Bibcode:2011RScI...82g1101E. doi:10.1063/1.3610677. ISSN 0034-6748. PMID 21806165.
  31. ↑ Birowosuto, M. та ін. (2014). Movable high-Q nanoresonators realized by semiconductor nanowires on a Si photonic crystal platform. Nature Materials. 13 (3): 279—285. arXiv:1403.4237. Bibcode:2014NatMa..13..279B. doi:10.1038/nmat3873. PMID 24553654. S2CID 21333714.
  32. ↑ Diguna, L., Birowosuto, M та ін. (2018). Light–matter interaction of single quantum emitters with dielectric nanostructures. Photonics. 5 (2): 14. doi:10.3390/photonics5020014.
  33. ↑ Meter, R.V.; Touch, J. (2013). Designing quantum repeater networks. IEEE Communications Magazine. 51 (8): 64—71. doi:10.1109/mcom.2013.6576340. S2CID 27978069.
  34. ↑ Dudin, Y. O.; Kuzmich, A. (19 квітня 2012). Strongly Interacting Rydberg Excitations of a Cold Atomic Gas. Science. 336 (6083): 887—889. Bibcode:2012Sci...336..887D. doi:10.1126/science.1217901. ISSN 0036-8075. PMID 22517325. S2CID 206539415.
  35. ↑ Ripka, Fabian; Kübler, Harald; Löw, Robert; Pfau, Tilman (25 жовтня 2018). A room-temperature single-photon source based on strongly interacting Rydberg atoms. Science. 362 (6413): 446—449. arXiv:1806.02120. Bibcode:2018Sci...362..446R. doi:10.1126/science.aau1949. ISSN 0036-8075. PMID 30361371. S2CID 53088432.
  36. ↑ Eisaman, M. D.; Fan, J.; Migdall, A.; Polyakov, S. V. (1 липня 2011). Invited Review Article: Single-photon sources and detectors. Review of Scientific Instruments. 82 (7): 071101–071101–25. Bibcode:2011RScI...82g1101E. doi:10.1063/1.3610677. ISSN 0034-6748. PMID 21806165.
  37. ↑ Al-Kathiri, S.; Al-Khateeb, W.; Hafizulfika, M.; Wahiddin, M. R.; Saharudin, S. (May 2008). Characterization of mean photon number for key distribution system using faint laser. 2008 International Conference on Computer and Communication Engineering: 1237—1242. doi:10.1109/ICCCE.2008.4580803. ISBN 978-1-4244-1691-2. S2CID 18300454.

Джерела[ред. | ред. код]

Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Джерело_одиничних_фотонів&oldid=38392745