Una fuente de fotón único de punto cuántico se basa en un único punto cuántico colocado en una cavidad óptica . Es una fuente de fotón único bajo demanda. Un pulso de láser puede excitar un par de portadores conocidos como excitón en el punto cuántico. La desintegración de un solo excitón debido a la emisión espontánea conduce a la emisión de un solo fotón. Debido a las interacciones entre excitones, la emisión cuando el punto cuántico contiene un solo excitón es energéticamente distinta de la emisión cuando el punto cuántico contiene más de un excitón. Por lo tanto, un solo excitón puede crearse de manera determinista mediante un pulso láser y el punto cuántico se convierte en una fuente de luz no clásica que emite fotones uno por uno y, por lo tanto, muestraantibunching de fotones . La emisión de fotones individuales se puede probar midiendo la función de correlación de intensidad de segundo orden . La tasa de emisión espontánea de los fotones emitidos se puede mejorar integrando el punto cuántico en una cavidad óptica . Además, la cavidad conduce a la emisión en un modo óptico bien definido que aumenta la eficiencia de la fuente de fotones.
Historia
Con el creciente interés en la ciencia de la información cuántica desde principios del siglo XXI, estaba creciendo la investigación en diferentes tipos de fuentes de fotones únicos. Las primeras fuentes de fotón único, como las fuentes de fotones anunciadas [1], que se informaron por primera vez en 1985, se basan en procesos no deterministas. Las fuentes de fotón único de punto cuántico están disponibles bajo demanda. En 2000 se informó de una fuente de fotón único basada en un punto cuántico en una estructura de microdiscos. [2] Posteriormente, las fuentes se incrustaron en diferentes estructuras, como cristales fotónicos [3] o micropilares. [4] La adición de DBR permitió la emisión en una dirección bien definida y una mayor eficiencia de emisión. [5] La mayoría de las fuentes de fotón único de puntos cuánticos necesitan trabajar a temperaturas criogénicas , lo que sigue siendo un desafío técnico. [5] El otro desafío es realizar fuentes de fotón único de punto cuántico de alta calidad en la longitud de onda de las telecomunicaciones para aplicaciones de telecomunicaciones por fibra. [6] El primer informe sobre la emisión de fotón único mejorada por Purcell de un punto cuántico de longitud de onda de telecomunicaciones en una cavidad de cristal fotónico bidimensional con un factor de calidad de 2000 muestra las mejoras de la tasa de emisión y la intensidad en cinco y seis veces , respectivamente. [7]
Teoría de la realización de una fuente de fotón único
La excitación de un electrón en un semiconductor desde la banda de valencia hasta la banda de conducción crea un estado excitado, el llamado excitón . La desintegración radiativa espontánea de este excitón da como resultado la emisión de un fotón. Dado que un punto cuántico tiene niveles de energía discretos, se puede lograr que nunca haya más de un excitón en el punto cuántico simultáneamente. Por tanto, el punto cuántico es un emisor de fotones individuales. Un desafío clave para hacer una buena fuente de fotón único es asegurarse de que la emisión del punto cuántico se recopile de manera eficiente. Para hacer eso, el punto cuántico se coloca en una cavidad óptica . La cavidad puede, por ejemplo, constar de dos DBR en un micropilar (Fig. 1). La cavidad mejora la emisión espontánea en un modo óptico bien definido ( efecto Purcell ), lo que facilita el guiado eficiente de la emisión hacia una fibra óptica. Además, la vida útil reducida del excitón(ver Fig. 2) reduce la importancia del ensanchamiento del ancho de línea debido al ruido.
Luego, el sistema puede aproximarse mediante el modelo de Jaynes-Cummings . En este modelo, el punto cuántico solo interactúa con un solo modo de la cavidad óptica. La frecuencia del modo óptico está bien definida. Esto hace que los fotones sean indistinguibles si su polarización está alineada por un polarizador . La solución del Hamiltoniano de Jaynes-Cummings es una oscilación Rabi en el vacío . Una oscilación Rabi en el vacío de un fotón que interactúa con un excitón se conoce como excitón-polaritón .
Para eliminar la probabilidad de la emisión simultánea de dos fotones, debe asegurarse de que solo pueda haber un excitón en la cavidad a la vez. Los estados de energía discretos en un punto cuántico permiten solo una excitación. Además, el bloqueo de Rydberg evita la excitación de dos excitones en el mismo espacio ... [8] La interacción electromagnética con el excitón ya existente cambia la energía para crear otro excitón en el mismo espacio visualmente. Si la energía del láser de la bomba está sintonizada en resonancia, no se puede crear el segundo excitón. Aún así, existe una pequeña probabilidad de tener dos excitaciones en el punto cuántico al mismo tiempo. Dos excitones confinados en un volumen pequeño se denominan biexcitones . Interactúan entre sí y, por lo tanto, cambian ligeramente su energía. Los fotones resultantes de la desintegración de biexcitones tienen una energía diferente a la de los fotones resultantes de la desintegración de excitones. Se pueden filtrar dejando que el haz de salida pase un filtro óptico . [9] Los puntos cuánticos se pueden excitar tanto eléctrica como ópticamente. [5] Para el bombeo óptico, se puede utilizar un láser pulsado para la excitación de los puntos cuánticos. Para tener la mayor probabilidad de crear un excitón, el láser de la bomba se sintoniza en resonancia. [10] Esto se asemeja a un-pulso en la esfera Bloch . Sin embargo, de esta forma los fotones emitidos tienen la misma frecuencia que el láser de bombeo. Se necesita un polarizador para distinguirlos. [10] Como la dirección de polarización de los fotones de la cavidad es aleatoria, este filtro bloquea la mitad de los fotones emitidos.
Realización experimental
Se construye una microcavidad con un solo punto cuántico. Los DBR pueden cultivarse mediante epitaxia de haz molecular (MBE). Para los espejos, se cultivan en orden alterno dos materiales con diferentes índices de refracción . Sus parámetros de celosía deben coincidir para evitar tensiones. Una posible combinación es una combinación de capas de arseniuro de aluminio y arseniuro de galio . [10] Se utiliza un material con una banda prohibida más pequeña para hacer crecer el punto cuántico. En las primeras capas atómicas de crecimiento de este material, la constante de la red coincidirá con la del DBR. Aparece una deformación por tracción. A un cierto espesor, la energía de la cepa se vuelve demasiado grande y la capa se contrae para crecer con su propia constante de celosía. En este punto, los puntos cuánticos se han formado de forma natural. La segunda capa de DBR ahora se puede cultivar sobre la capa con los puntos cuánticos.
El diámetro del pilar es de solo unas pocas micras de ancho. Para evitar que el modo óptico salga de la cavidad, el micropilar debe actuar como guía de ondas. Los semiconductores suelen tener índices de refracción relativamente altos alrededor de n≅3. [11] Por tanto, su cono de extracción es pequeño. Sobre una superficie lisa, el micropilar funciona como una guía de ondas casi perfecta. Sin embargo, las pérdidas aumentan con la rugosidad de las paredes y la disminución del diámetro del micropilar. [12]
Por tanto, los bordes deben ser lo más lisos posible para minimizar las pérdidas. Esto se puede lograr estructurando la muestra con litografía por haz de electrones y procesando los pilares con grabado de iones reactivos . [9]
Verificación de la emisión de fotones individuales
Las fuentes de fotones individuales exhiben antibunching . Dado que los fotones se emiten uno a la vez, la probabilidad de ver dos fotones al mismo tiempo para una fuente ideal es 0. Para verificar el antibunching de una fuente de luz, se puede medir la función de autocorrelación.. Una fuente de fotones está bloqueada si ≤ . [13] Para una fuente ideal de fotón único,. Experimentalmente,se mide utilizando el efecto Hanbury Brown y Twiss . Los dispositivos exhiben experimentalmente valores entre[10] y[14] a temperaturas criogénicas.
Indistinguibilidad de los fotones emitidos
Para las aplicaciones, los fotones emitidos por una sola fuente de fotones deben ser indistinguibles . La solución teórica del Hamiltoniano de Jaynes-Cummings es un modo bien definido en el que solo la polarización es aleatoria. Después de alinear la polarización de los fotones, se puede medir su indistinguibilidad. Para eso, se utiliza el efecto Hong-Ou-Mandel . Se preparan dos fotones de la fuente para que entren en un divisor de haz 50:50 al mismo tiempo desde los dos canales de entrada diferentes. Se coloca un detector en ambas salidas del divisor de haz. Se miden las coincidencias entre los dos detectores. Si los fotones son indistinguibles, no deberían ocurrir coincidencias. [15] Experimentalmente, se encuentra una indistinguibilidad casi perfecta. [14] [10]
Aplicaciones
Las fuentes de fotón único son de gran importancia en la ciencia de la comunicación cuántica. Se pueden utilizar para generadores de números verdaderamente aleatorios. [5] Los fotones individuales que entran en un divisor de haz exhiben indeterminación cuántica inherente . Los números aleatorios se utilizan ampliamente en simulaciones que utilizan el método de Monte Carlo .
Además, las fuentes de fotones individuales son esenciales en la criptografía cuántica . El esquema BB84 [16] es un esquema de distribución de claves cuánticas seguro y demostrable . Funciona con una fuente de luz que emite perfectamente solo un fotón a la vez. Debido al teorema de no clonación , [17] no puede haber escuchas sin que nadie se dé cuenta. El uso de la aleatoriedad cuántica al escribir la clave evita cualquier patrón en la clave que pueda usarse para descifrar el código.
Aparte de eso, las fuentes de fotones individuales se pueden usar para probar algunas propiedades fundamentales de la teoría cuántica de campos . [1]
Ver también
- Fuente de fotón único
- Punto cuántico
- Microcavidad óptica
Referencias
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