Einzelphotonenquelle

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Bei einer Einzelphotonenquelle handelt es sich um eine fluoreszierende Lichtquelle, bei der nie zwei oder mehr Photonen gleichzeitig emittiert werden. Benötigt werden einzelne Photonen insbesondere in der Quanteninformationsverarbeitung und der Quantenkryptographie.

Im Gegensatz zum Laser, bei dem sich mehrere Photonen durch stimulierte Emission zu einem kohärenten Strahl aufbauen, basiert die Einzelphotonenquelle auf spontaner Emission von Licht. Es handelt sich daher nicht um einen sehr schwachen Laser, sondern um einen Aufbau, der gerade verhindern will, dass gleichzeitig ein zweites Photon in derselben Richtung emittiert wird.

Aufbau[Bearbeiten]

Die Wahrscheinlichkeit spontaner Emission kann aufgrund des Purcell-Effekts durch einen Resonator hoher Güte erhöht werden. Dabei ist es entscheidend, dass das emittierende Atom möglichst still gehalten wird, was durch verschiedene Anordnungen sichergestellt werden kann:

Einzelne Atome oder Ionen in Kühlfallen[Bearbeiten]

Insbesondere die ursprünglichen Arbeiten von L. Mandel[1] und H. Walther[2] basierten darauf, dass Ionen in magnetischen Kühlfallen festgehalten wurden. Die Wellenlänge des emittierten Lichts entspricht dann gerade einem Übergang des Ions. Um Doppler-Effekt und thermische Kollisionen zu vermeiden, müssen die Ionen tief abgekühlt werden. Aufgrund des Photon Antibunching-Effekts ist sichergestellt, dass erst ein zweites Photon emittiert wird, wenn das Ion ein anderes Photon absorbiert hat.[3][4] Die Photonen haben demnach einen minimalen zeitlichen Abstand zueinander, der bei den beschriebenen Systemen in der Größenordnung von 10 ns liegt.

Farbzentren im Festkörper[Bearbeiten]

Bei Farbzentren handelt es sich um Defekte in einem Festkörper, z. B. einem Diamant oder einem Halbleiter mit geringer Bandlücke. Im Festkörper sind die atomaren Lichtquellen bereits fest fixiert, weshalb keine Tiefsttemperatur und auch kein starkes Magnetfeld notwendig sind. Da es sich bei den Defekten um verschiedene Effekte handeln kann, wie Zwischenräume, Fremdatome, Löcher, Ladungsbarrieren, so handelt es sich bei der emittierten Wellenlänge meist nicht um einen gewöhnlichen Übergang eines Atoms.[3]

Quantenpunkte[Bearbeiten]

Quantenpunkte sind nanoskopische Atomanhäufungen auf einem Halbleiter-Untergrund. Für die Einzelphotonenquellen wird meist eine CdSe-Struktur auf eine ZnS-Matrix oder InGaAs-Struktur auf eine GaAs-Matrix aufgebracht. Quantenpunkte sind eine sehr gute und effektive Möglichkeit, einzelne Photonen zu erzeugen; allerdings ist der Grad der Ununterscheidbarkeit der Photonen nicht sehr hoch und sie sind nicht so leicht in der Quantenkryptographie einsetzbar.

Parametrische Fluoreszenz[Bearbeiten]

Eine häufig angewandte Methode stellt die parametrische Fluoreszenz (engl. parametric down conversion, PDC) dar. Hier wird in einem nichtlinearen Kristall ein energiereiches Photon in zwei Photonen der halben Energie umgewandelt. Beide Photonen können miteinander verschränkt sein, d. h., sie besitzen einen gemeinsamen Zustand, obwohl sie räumlich getrennt sind. Der große Vorteil dieser Methode liegt darin, dass das zweite Photon benutzt werden kann, um zu bestimmen, zu welchem Zeitpunkt das einzelne Photon die Einzelphotonenquelle verlässt. Dies ist eine Eigenschaft, die viele Experimente in der Quantenoptik und Quanteninformation erst ermöglicht.

Trivia[Bearbeiten]

Mittlerweile gibt es erste fertige kommerzielle Einzelphotonenquellen zu kaufen.[5]

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  H. J. Kimble, M. Dagenais, und L. Mandel: Photon antibunching in resonance fluorescence. In: Phys. Rev. Lett.. Nr. 39, 1977, S. 691.
  2.  F. Diedrich und H. Walther: In: Phys. Rev. Lett.. Nr. 58, 1987, S. 203.
  3. a b Vorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatA. Rothe: Einzelphotonenquellen. Seminar Moderne Optik und Faseroptik. Fachbereich Physik, Uni Konstanz, 6.7.2006, abgerufen am 5. März 2012 (PDF, deutsch).
  4. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatC. Braig: Festkörperbasierte Einzelphotonenquelle. Diplomarbeit an der Fakultät für Physik. LMU München, 14.12.2001, abgerufen am 5. März 2012 (PDF; 2,7 MB, deutsch, siehe Einleitung).
  5. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatSPS1.01. Quantum Communications Victoria, abgerufen am 1. Mai 2010 (PDF; 416 kB).