Las fuentes de fotón único son fuentes de luz que emiten luz como partículas o fotones individuales . Se diferencian de las fuentes de luz coherente ( láseres ) y las fuentes de luz térmica, como las bombillas incandescentes . El principio de incertidumbre de Heisenberg dicta que no se puede crear un estado con un número exacto de fotones de una sola frecuencia. Sin embargo, los estados de Fock (o estados numéricos) se pueden estudiar para un sistema donde el campo eléctricola amplitud se distribuye en un ancho de banda estrecho. En este contexto, una fuente de un solo fotón da lugar a un estado de número de un fotón efectivo. Los fotones de una fuente ideal de un solo fotón exhiben características mecánicas cuánticas . Estas características incluyen el antibunching de fotones., de modo que el tiempo entre dos fotones sucesivos nunca sea menor que un valor mínimo. Esto se demuestra normalmente mediante el uso de un divisor de haz para dirigir aproximadamente la mitad de los fotones incidentes hacia un fotodiodo de avalancha y la mitad hacia un segundo. Los pulsos de un detector se utilizan para proporcionar una señal de "inicio de contador" a un temporizador electrónico rápido, y el otro, retrasado por un número conocido de nanosegundos, se utiliza para proporcionar una señal de "parada de contador". Al medir repetidamente los tiempos entre las señales de 'inicio' y 'parada', se puede formar un histograma de retardo de tiempo entre dos fotones y el recuento de coincidencias, si no se produce el agrupamiento y los fotones están bien espaciados, una muesca clara alrededor del retardo cero es visible.
Historia
Aunque Planck propuso el concepto de un solo fotón ya en 1900, [1] no se creó una verdadera fuente de un solo fotón de forma aislada hasta 1974. Esto se logró utilizando una transición en cascada dentro de los átomos de mercurio. [2] Los átomos individuales emiten dos fotones a diferentes frecuencias en la transición en cascada y al filtrar espectralmente la luz, la observación de un fotón puede usarse para "anunciar" al otro. La observación de estos fotones individuales se caracterizó por su anticorrelación en los dos puertos de salida de un divisor de haz de manera similar al famoso experimento de Hanbury Brown y Twiss de 1956. [3]
Otra fuente de fotón único llegó en 1977 que utilizó la fluorescencia de un rayo atenuado de átomos de sodio. [4] Se atenuó un haz de átomos de sodio de modo que no más de uno o dos átomos contribuyan a la radiación de fluorescencia observada en un momento dado. De esta forma, solo los emisores individuales producían luz y la fluorescencia observada mostraba el característico antibunching. El aislamiento de átomos individuales continuó con trampas de iones a mediados de la década de 1980. Un solo ion podría mantenerse en una trampa de Paul de radiofrecuencia durante un período prolongado de tiempo (10 min), actuando así como un único emisor de múltiples fotones individuales como en los experimentos de Diedrich y Walther. [5] Al mismo tiempo, el proceso no lineal de conversión descendente paramétrica comenzó a utilizarse y desde entonces hasta el día de hoy se ha convertido en el caballo de batalla de los experimentos que requieren fotones individuales.
Los avances en microscopía llevaron al aislamiento de moléculas individuales a fines de la década de 1980. [6] Posteriormente, se detectaron moléculas individuales de pentaceno en cristales de p - terfenilo . [7] Las moléculas individuales han comenzado a utilizarse como fuentes de fotones únicos. [8]
En el siglo XXI han surgido centros de defectos en varios materiales de estado sólido, [9] más notablemente el diamante, el carburo de silicio [10] [11] y el nitruro de boro. [12] el defecto más estudiado son los centros de vacantes de nitrógeno (NV) en el diamante que se utilizó como fuente de fotones individuales. [13] Estas fuentes, junto con las moléculas, pueden utilizar el fuerte confinamiento de la luz (espejos, microrresonadores, fibras ópticas, guías de ondas, etc.) para mejorar la emisión de los centros NV. Además de centros y moléculas NV, puntos cuánticos (QD), [14] nanotubos de carbono funcionalizados, [15] [16] y materiales bidimensionales [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] también puede emitir fotones individuales y puede construirse a partir de los mismos materiales semiconductores que las estructuras que confinan la luz. Se observa que las fuentes de fotones individuales a una longitud de onda de telecomunicaciones de 1.550 nm son muy importantes en la comunicación por fibra óptica y son en su mayoría QD de arseniuro de indio. [24] [25] Sin embargo, al crear una interfaz cuántica de conversión descendente a partir de fuentes visibles de fotón único, todavía se puede crear un fotón único a 1.550 nm con antibunching conservado. [26]
La excitación de átomos y excitones a niveles de Rydberg altamente interactivos evita más de una excitación sobre el llamado volumen de bloqueo. La fabricación de pequeños conjuntos y cristales podría actuar como emisores de un solo fotón. [27] [28]
Definición
En la teoría cuántica, los fotones describen la radiación electromagnética cuantificada . Específicamente, un fotón es una excitación elemental de un modo normal del campo electromagnético . Por tanto, un estado de fotón único es el estado cuántico de un modo de radiación que contiene una única excitación.
Los modos de radiación individuales están etiquetados, entre otras cantidades, por la frecuencia de la radiación electromagnética que describen. Sin embargo, en óptica cuántica , los estados de fotón único también se refieren a superposiciones matemáticas de modos de radiación de frecuencia única ( monocromáticos ). [29] Esta definición es lo suficientemente general como para incluir paquetes de ondas de fotones , es decir, estados de radiación que están localizados hasta cierto punto en el espacio y el tiempo.
Las fuentes de fotón único generan estados de fotón único como se describió anteriormente. En otras palabras, las fuentes ideales de fotón único generan radiación con una distribución de número de fotones que tiene una media y una varianza cero. [30]
Caracteristicas
Una fuente ideal de fotón único produce estados de fotón único con 100% de probabilidad y estados de vacío óptico o multifotón con 0% de probabilidad. Las propiedades deseables de las fuentes de fotones únicos del mundo real incluyen eficiencia, robustez, facilidad de implementación y naturaleza bajo demanda, es decir, generar fotones únicos en momentos elegidos arbitrariamente. Las fuentes de fotón único, que incluyen emisores únicos, como átomos, iones y moléculas, e incluso emisores de estado sólido, como puntos cuánticos , centros de color y nanotubos de carbono, están disponibles bajo demanda. [31] Actualmente, hay muchos nanomateriales activos diseñados en emisores cuánticos únicos donde su emisión espontánea podría sintonizarse cambiando la densidad local de estados ópticos en nanoestructuras dieléctricas. Las nanoestructuras dieléctricas generalmente se diseñan dentro de las heteroestructuras para mejorar la interacción luz-materia y, por lo tanto, mejorar aún más la eficiencia de estas fuentes de fotones únicos. [32] [33] Otro tipo de fuente comprende fuentes no deterministas, es decir, no bajo demanda, y estas incluyen ejemplos como láseres débiles, cascadas atómicas y conversión descendente paramétrica .
La naturaleza de fotón único de una fuente se puede cuantificar utilizando la función de correlación de segundo orden . Las fuentes ideales de fotón único muestran y las buenas fuentes de fotón único tienen pequeñas . La función de correlación de segundo orden se puede medir utilizando el efecto Hanbury-Brown-Twiss .
Tipos
La generación de un solo fotón ocurre cuando una fuente crea solo un fotón dentro de su vida útil de fluorescencia después de haber sido excitada óptica o eléctricamente. Aún no se ha creado una fuente ideal de fotón único. Dado que las principales aplicaciones de una fuente de fotón único de alta calidad son la distribución de clave cuántica , los repetidores cuánticos [34] y la ciencia de la información cuántica , los fotones generados también deben tener una longitud de onda que dé una baja pérdida y atenuación al viajar a través de una fibra óptica. . Hoy en día, las fuentes más comunes de fotones individuales son moléculas individuales, átomos de Rydberg, [35] [36] centros de color de diamante y puntos cuánticos, y el último está siendo ampliamente estudiado con los esfuerzos de muchos grupos de investigación para realizar puntos cuánticos que emiten fluorescencia de fotones individuales en la habitación. temperatura con fotones en la ventana de baja pérdida de comunicación de fibra óptica . Para muchos propósitos, los fotones individuales necesitan ser anti-agrupados, y esto se puede verificar.
Láser débil
Una de las primeras y más fáciles fuentes se creó atenuando un rayo láser convencional para reducir su intensidad y, por lo tanto, el número medio de fotones por pulso. [37] Dado que las estadísticas de fotones siguen una distribución de Poisson, se pueden obtener fuentes con un índice de probabilidad bien definido para la emisión de uno frente a dos o más fotones. Por ejemplo, un valor medio de μ = 0,1 conduce a una probabilidad del 90% para cero fotones, 9% para un fotón y 1% para más de un fotón. [38]
Aunque dicha fuente se puede utilizar para determinadas aplicaciones, tiene una función de correlación de intensidad de segundo orden igual a uno (sin antibunching ). Sin embargo, para muchas aplicaciones, se requiere antibunching, por ejemplo, en criptografía cuántica .
Fotones individuales anunciados
Se pueden generar pares de fotones individuales en estados altamente correlacionados utilizando un solo fotón de alta energía para crear dos fotones de menor energía. Se puede detectar un fotón del par resultante para "anunciar" al otro (por lo que su estado es bastante conocido antes de la detección). Generalmente, los dos fotones no necesitan tener la misma longitud de onda, pero la energía total y la polarización resultante están definidas por el proceso de generación. Un área de gran interés para estos pares de fotones es QKD .
Las fuentes de fotón único anunciadas también se utilizan para examinar las leyes físicas fundamentales en la mecánica cuántica. Hay dos tipos de fuentes de fotón único que se anuncian comúnmente: conversión descendente paramétrica espontánea y mezcla espontánea de cuatro ondas. La primera fuente tiene un ancho de línea alrededor de THz y la segunda tiene un ancho de línea alrededor de MHz o más estrecho. El único fotón anunciado se ha utilizado para demostrar el almacenamiento y la carga de fotónica en la cavidad óptica.
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