XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Однофотонные источники - это источники света, которые излучают свет в виде отдельных частиц или фотонов. Эти источники отличаются от источников когерентного света (лазеров) и источников теплового света, таких как лампы накаливания. Принцип неопределенности Гейзенберга диктует, что состояние с точным количеством фотонов одной частоты не может быть создано. Однако состояния Фока (или числовые состояния) могут быть изучены для системы, в которой амплитуда электрического поля распределена по узкой полосе пропускания. В этом контексте однофотонный источник приводит к эффективному однофотонному числовому состоянию.

Фотон (от древнегреческого "свет") - элементарная частица, представляющая собой квант электромагнитного поля, включая электромагнитное излучение, такое как свет и радиоволны, и силовой носитель электромагнитной силы. Фотоны не имеют массы, [a] поэтому они всегда движутся со скоростью света в вакууме, 299 792 458 м / с (или около 186 282 миль / с). Фотон относится к классу бозонов [5].

Фотоны из идеального однофотонного источника обладают квантовомеханическими характеристиками. Эти характеристики включают в себя сгруппирование фотонов, так что время между двумя последовательными фотонами никогда не бывает меньше некоторого минимального значения. Такое поведение обычно демонстрируется при использовании светоделителя, который направляет около половины падающих фотонов на один лавинный фотодиод, а половину - на второй. Импульсы от одного детектора используются для подачи сигнала "запуска счетчика" на быстрый электронный таймер, а другой, с задержкой на известное количество наносекунд, используется для подачи сигнала "остановки счетчика". Путем многократного измерения времени между сигналами ‘старт’ и ‘стоп’ можно сформировать гистограмму временной задержки между двумя фотонами и подсчета совпадений - если группирования не происходит, и фотоны действительно хорошо разнесены, видна четкая отметка вокруг нулевой задержки [1].

История

Хотя концепция одиночного фотона была предложена Планком еще в 1900 году, настоящий однофотонный источник был создан изолированно только в 1974 году. Это было достигнуто путем использования каскадного перехода внутри атомов ртути. Отдельные атомы излучают два фотона на разных частотах при каскадном переходе, и при спектральной фильтрации света наблюдение одного фотона может быть использовано для "предвещания" другого. Наблюдение этих одиночных фотонов характеризовалось их антикорреляцией на двух выходных портах светоделителя аналогично знаменитому эксперименту Хэнбери Брауна и Твисса 1956 года.

В 21 веке появились дефектные центры в различных твердотельных материалах, в первую очередь в алмазе, карбиде кремния и нитриде бора. Наиболее изученным дефектом являются центры азотных вакансий (NV) в алмазе, которые использовались в качестве источника одиночных фотонов. Эти источники наряду с молекулами могут использовать сильное ограничение света (зеркала, микрорезонаторы, оптические волокна, волноводы и т.д.) для усиления излучения NV-центров. А также NV-центры и молекулы, квантовые точки (КТ), функционализированные углеродные нанотрубки, и двумерные материалы может также испускать одиночные фотоны и можетизготавливается из тех же полупроводниковых материалов, что и светоограничивающие структуры. Отмечается, что однофотонные источники на телекоммуникационной длине волны 1550 нм очень важны в волоконно-оптической связи, и в основном это КТ из арсенида индия. Однако, создавая квантовый интерфейс с понижающим преобразованием из видимых однофотонных источников, все еще можно создать одиночный фотон при длине волны 1550 нм с сохранением антибанкинга.

Возбуждение атомов и экситонов до сильно взаимодействующих уровней Ридберга предотвращает более одного возбуждения по так называемому объему блокады. Следовательно, ридберговское возбуждение в небольших атомных ансамблях или кристаллах может действовать как излучатели одиночных фотонов [1].

Типы источников

Излучатель одиночных фотонов

Это абсолютный предел миниатюризации излучателей света. Фотонный источник, в котором под действием управляющего сигнала (и только под действием этого сигнала) излучается только один фотон. Излучение ИОФ характеризуется неклассической суб-пуассоновской статистикой, а идеальный излучатель одиночных фотонов генерирует световой поток с нулевым шумом. ИОФ может быть реализован только на основе изолированной квантовой системы: одиночного атома, молекулы, искусственного атома. Создание эффективных ИОФ представляет собой сложнейшую научно-техническую проблему, включающую в себя решение трёх задач: локализации, изоляции квантовой системы; эффективной накачки изолированной квантовой системы; сбора излучения.

Однофотонные излучатели испускают одну частицу света (фотон) за раз и этим отличаются от лазеров, которые выпускают сразу целый поток. Такие устройства имеют решающее значение для квантовой криптографии, призванной защищать конфиденциальные данные с помощью так называемого эффекта наблюдателя: подслушивание спутывает передаваемую информацию, и злоумышленник не может воспользоваться ей. Это объясняется тем, что в квантовом мире наблюдение за системой всегда вызывает ее изменение.

Излучатель представляет собой один нанопровод из нитрида галлия с очень маленькой областью из нитрида индия-галлия, которая функционирует как квантовая точка – наноструктура, генерирующая бит информации. В двоичном коде традиционных компьютеров бит – это 0 или 1. Квантовый бит может принимать либо одно из этих значений, либо оба сразу.

Рис.1. Схема кольцевого резонатора и его изображения в растровом электронном микроскопе

Полупроводниковые материалы, из которых выполнен излучатель, широко применяются в светодиодах и солнечных ячейках. Исследователи вырастили нанопровода на кремниевой пластине, что позволяет осуществлять производство излучателей в крупных масштабах, поскольку кремний – основа современной электроники, и подходящая инфраструктура уже существует. Устройство работает за счет электричества, а не света – это еще один аспект, который делает его более практичным. А все фотоны, которые оно испускает, обладают одним уровнем линейной поляризации, тогда как другие однофотонные излучатели выдают частицы света со случайной поляризацией. Новинка работает при низких температурах, но исследователи уже трудятся над тем, чтобы приблизить уровень температуры к комнатному.

Излучатели одиночных фотонов могут найти применение в системах квантовой криптографии и квантовых вычислений. Они также необходимы для прецизионной спектроскопии и создания эталонов оптической мощности. К настоящему моменту однофотонное излучение (с оптической лазерной накачкой) продемонстрировано на целом ряде объектов: одиночных атомах и ионах, одиночных молекулах, центрах окраски и одиночных полупроводниковых квантовых точках. Достоинством полупроводниковых квантовых точек является возможность создания излучателя одиночных фотонов с токовой накачкой в виде сверхминиатюрного светодиода, т.е. полностью твердотельного компактного излучателя [2].

Рис.2. Источник света, излучающий одиночный фотон равной длины волны

Генерация одного фотона происходит, когда источник создает только один фотон в течение своего времени жизни флуоресценции после того, как он с оптическим или электрическим возбуждением. Идеальный однофотонный источник еще не создан. Учитывая, что основными приложениями для высококачественного однофотонного источника являются квантовое распределение ключей, квантовые повторители и квантовая информатика, генерируемые фотоны также должны иметь длину волны, обеспечивающую низкую потери и затухание при прохождении через оптическое волокно.

В настоящее время наиболее распространенными источниками одиночных фотонов являются одиночные молекулы, ридберговские атомы, центры окраски алмаза и квантовые точки, причем последние широко изучаются благодаря усилиям многих исследовательских групп по созданию квантовых точек, которые флуоресцируют одиночные фотоны при комнатной температуре с фотонами в низкой окно потерь оптоволоконной связи. Для многих целей одиночные фотоны должны быть антигруппированы, и это можно проверить.

Слабый лазер

Один из первых и самых простых источников был создан путем ослабления луча обычного лазера для уменьшения его интенсивности и, следовательно, среднего фотона количество на импульс. Поскольку статистика фотонов соответствует распределению Пуассона, можно получить источники с четко определенным отношением вероятностей для излучения одного фотона по сравнению с двумя или более. Например, среднее значение μ = 0,1 приводит к вероятности 90% для нулевых фотонов, 9% для одного фотона и 1% для более чем одного фотона.

Хотя такой источник может использоваться для определенных приложений, он имеет корреляционную функцию интенсивности второго порядка, равную единице (нет антигруппировки ). Однако для многих приложений антигруппировка требуется, например, в квантовой криптографии [2].

Список литературы

Однофотонныйисточник - Single-photon source.URL: https://ru.abcdef.wiki/wiki/Single-photon_source

Однофотонные излучатели.URL: https://www.yaneuch.ru/cat_34/odnofotonnye-izluchateli/539281.3401106.page1.html

Р. Лаудон, Квантовая теория света,: Oxford University Press, 3-е издание (2000).

Planck, M. (1900). "Über eine Verbesserung der Wienschen Spektralgleichung". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 

Фотон.URL: https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.4aa3d3cd-63988a23-b3435aba-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Light_particle

Код для цитирования: Скопировать