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.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext 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 | Quelltext 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 | Quelltext 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 kryogenen Temperaturen 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.[5]

Es gibt kommerzielle Einzelphotonenquellen die auf Fehlstellen in Diamant basieren.[6]

Quantenpunkte[Bearbeiten | Quelltext 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 | Quelltext 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.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext 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: Nonclassical radiation of a single stored ion. In: Phys. Rev. Lett. Nr. 58, 1987, S. 203.
  3. Brahim Lounis, Michel Orrit: Single-photon sources. In: Rep. Prog. Phys. Band 68, Nr. 5, 21. April 2005, S. 1129, doi:10.1088/0034-4885/68/5/R04.
  4. C. Braig: Festkörperbasierte Einzelphotonenquelle. Diplomarbeit an der Fakultät für Physik. LMU München, 14. Dezember 2001, abgerufen am 5. März 2012 (PDF; 2,7 MB, deutsch, siehe Einleitung).
  5. Igor Aharonovich, Dirk Englund, Milos Toth: Solid-state single-photon emitters. In: Nature Photonics. Band 10, 2016, S. 631–641, doi:10.1038/nphoton.2016.186.
  6. SPS1.01. (Nicht mehr online verfügbar.) Quantum Communications Victoria, ehemals im Original; abgerufen im 1. Mai 2010 (PDF; 416 kB).@1@2Vorlage:Toter Link/qcvictoria.com (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiveni Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.