Yagona fotonli manba

Yagona fotonli yorug'lik i bo'lib, ular bitta zarrachalar yoki fotonlar shaklida yorug'lik chiqaradilar. Ushbu kogerent yorug'lik idan ( lazerlar ) va akkor lampochkalar kabi termal yorug'lik idan farq qiladi. Heisenberg noaniqlik printsipi bitta chastotali fotonlarning aniq soniga ega bo'lgan holatni yaratib bo'lmasligini belgilaydi. Biroq, elektr maydon amplitudasi tor tarmoqli kengligi bo'ylab taqsimlangan tizim uchun Fock holatlari (yoki raqam holatlari) o'rganilishi mumkin. Shu nuqtai nazardan, bitta fotonli manba samarali bitta fotonli raqam holatini keltirib chiqaradi. Ideal bir fotonli manbadan olingan fotonlar kvant mexanik xususiyatlarini namoyish etadi. Bu xususiyatlar fotonlarga qarshi to'planishni o'z ichiga oladi, shuning uchun ketma-ket ikkita foton orasidagi vaqt hech qachon minimal qiymatdan kam bo'lmaydi. Bu xatti-harakat, odatda, hodisa fotonlarining yarmini bitta ko'chki fotodiodiga va yarmini soniyasiga yo'naltirish uchun nur ajratgich yordamida namoyon bo'ladi. Bir detektorning impulslari tez elektron taymerga "qarama-qarshi ishga tushirish" signalini berish uchun ishlatiladi, ikkinchisi esa ma'lum nanosekundlar bilan kechiktiriladi va "qarshi to'xtash" signalini ta'minlash uchun ishlatiladi. "Boshlash" va "to'xtash" signallari orasidagi vaqtni qayta-qayta o'lchash orqali ikkita foton va tasodiflar soni o'rtasidagi kechikishning gistogrammasini yaratish mumkin - agar to'planish sodir bo'lmasa va fotonlar haqiqatan ham yaxshi oraliqda bo'lsa, kechikish nolga teng bo'lsa. ko‘rinib turadi.

 Tarix 
Yagona foton tushunchasi 1900 yilda Plank tomonidan taklif qilingan bo'lsa-da, haqiqiy yagona foton manbasi 1974 yilgacha yakka holda yaratilmagan. Bunga simob atomlari ichidagi kaskad o'tishdan foydalanish orqali erishildi. Alohida atomlar kaskadli o'tishda turli chastotalarda ikkita foton chiqaradi va yorug'likni spektral filtrlash orqali bir fotonning kuzatuvi ikkinchisini "xabar qilish" uchun ishlatilishi mumkin. Ushbu yagona fotonlarni kuzatish uning 1956 yildagi mashhur Hanberi Braun va Twiss tajribasiga o'xshash tarzda nur ajratgichning ikkita chiqish portiga antikorrelyatsiyasi bilan tavsiflangan

Yana bir bitta fotonli manba 1977 yilda paydo bo'ldi, u natriy atomlarining zaiflashtirilgan nuridan floresansdan foydalangan. Natriy atomlarining nurlari bir vaqtning o'zida bir yoki ikkitadan ko'p atomlar kuzatilgan floresan nurlanishiga hissa qo'shmasligi uchun zaiflashtirildi. Shu tarzda, faqat bitta emitent yorug'lik ishlab chiqardi va kuzatilgan floresans xarakterli antibunchingni ko'rsatdi. Alohida atomlarning izolyatsiyasi 1980-yillarning o'rtalarida ion tuzoqlari bilan davom etdi. Yagona ion uzoq vaqt davomida radiochastotali Pol tuzog'ida saqlanishi mumkin edi (10 min) shunday qilib, Didrix va Valter tajribalarida bo'lgani kabi bir nechta yagona fotonlarning yagona emitenti sifatida harakat qiladi. , parametrik pastga konvertatsiya qilishning chiziqli bo'lmagan jarayoni qo'llanila boshlandi va o'sha paytdan boshlab hozirgi kunga qadar u bitta fotonlarni talab qiladigan tajribalarning ishchi kuchiga aylandi.Olam - bu hayajonli va ayni paytda nihoyatda sirli narsa. Va biz, odatda, uning cheksizligi, galaktikalar sonining ko'pligi yoki yulduzlar orasidagi masofadan hayratda qolamiz. Ammo haqiqat shundaki, bizning kvant fizikasidagi bilimlarimiz oshgani sayin, haqiqatan ham hayratlanarli narsa, tabiatning qanchalik kichik bo'lishi narsalardan.

Uzoq vaqt davomida biz atomlar hamma narsaning eng kichik birliklari ekanligiga ishonardik, chunki ular bo'linmas deb hisoblanadi. Buning ajablanarli joyi yo'q, chunki atom shunchalik kichikki, millimetrda ularning 10 millionga yaqini bir qatorda turishi mumkin edi. Bu ajablanarli emasdek, keling, shunday deb o'ylaylik qum donasi 2 milliondan ortiq atomdan iborat.

Mikroskopiyadagi yutuqlar 1980-yillarning oxirida yagona molekulalarni ajratib olishga olib keldi. Keyinchalik p - terfenil kristallarida yagona pentasen molekulalari aniqlandi. Yagona molekulalar yagona foton i sifatida foydalanila boshlandi.

21-asrda turli xil qattiq materiallarda nuqson markazlari paydo bo'ldi, eng muhimi, olmos, kremniy karbid va bor nitridi. eng ko'p o'rganilgan nuqson - bu bitta fotonlar manbai sifatida ishlatilgan olmosdagi azot bo'shligi (NV) markazlari . Ushbu molekulalar bilan birgalikda NV markazlarining emissiyasini kuchaytirish uchun yorug'likning kuchli chegarasidan (ko'zgular, mikrorezonatorlar, optik tolalar, to'lqin o'tkazgichlar va boshqalar) foydalanishi mumkin. Shuningdek, NV markazlari va molekulalari, kvant nuqtalari (QD), optik antennada tutilgan kvant nuqtalari, funktsional uglerod nanotubalari, va ikki oʻlchovli materiallar shuningdek, bitta fotonlarni chiqarishi mumkin va yorug'likni cheklovchi tuzilmalar kabi bir xil yarim o'tkazgich materiallaridan tuzilishi mumkin. Ta'kidlanishicha, telekom to'lqin uzunligi 1550 nm bo'lgan yagona foton i optik tolali aloqada juda muhim va ular asosan indiy arsenid QDlardir. Biroq, ko'rinadigan yagona foton idan pastga aylantiruvchi kvant interfeysini yaratish orqali, saqlanib qolgan antibunching bilan 1550 nm da bitta foton yaratish mumkin.

Yuqori darajada o'zaro ta'sir qiluvchi Rydberg darajalariga hayajonli atomlar va qo'zg'alishlar blokada deb ataladigan hajmda bir nechta qo'zg'alishni oldini oladi. Demak, kichik atom ansambllarida yoki kristallarda Ridberg qo'zg'alishi bitta foton emitent sifatida harakat qilishi mumkin.

 Ta'rif 
Kvant nazariyasida fotonlar kvantlangan elektromagnit nurlanishni tasvirlaydi. Xususan, foton elektromagnit maydonning oddiy rejimining elementar qo'zg'alishidir. Shunday qilib, bitta fotonli holat - bu bitta qo'zg'alishni o'z ichiga olgan radiatsiya rejimining kvant holati.

Yagona radiatsiya rejimlari, boshqa miqdorlar qatorida, ular tasvirlaydigan elektromagnit nurlanish chastotasi bilan belgilanadi. Biroq, kvant optikasida bitta fotonli holatlar bir chastotali ( monoxromatik ) nurlanish rejimlarining matematik superpozitsiyalariga ham tegishli. Ushbu ta'rif foton to'lqin-paketlarini, ya'ni ma'lum darajada makon va vaqtda lokalizatsiya qilingan nurlanish holatlarini o'z ichiga olishi uchun etarlicha umumiydir.

Yagona fotonli yuqorida tavsiflanganidek, bitta fotonli holatni hosil qiladi. Boshqacha qilib aytganda, ideal bir fotonli o'rtacha va nolga teng bo'lgan foton-son taqsimoti bilan nurlanish hosil qiladi.

 XususiyatlariV 
Ideal bitta foton manbasi 100% ehtimollik bilan bitta fotonli holatlarni va 0% ehtimollik bilan optik vakuum yoki ko'p fotonli holatlarni hosil qiladi. Haqiqiy dunyoning yagona fotonli ining istalgan xususiyatlariga samaradorlik, mustahkamlik, amalga oshirish qulayligi va talab bo'yicha tabiat, ya'ni o'zboshimchalik bilan tanlangan vaqtlarda bitta foton hosil qilish kiradi. Yagona atomlar, ionlar va molekulalar kabi yagona emitentlar va kvant nuqtalari, rang markazlari va uglerod nanotubalari kabi qattiq holatdagi emitentlarni o'z ichiga olgan yagona fotonli ga talab mavjud. Hozirgi vaqtda bitta kvant emitentlariga ishlab chiqilgan ko'plab faol nanomateriallar mavjud bo'lib, ularning o'z-o'zidan emissiyasi dielektrik nanostrukturalardagi optik holatlarning mahalliy zichligini o'zgartirish orqali sozlanishi mumkin. Dielektrik nanostrukturalar odatda yorug'lik-materiyaning o'zaro ta'sirini kuchaytirish va shu bilan bitta foton ining samaradorligini oshirish uchun geterostrukturalar ichida ishlab chiqilgan. Manbaning yana bir turi deterministik bo'lmagan ni o'z ichiga oladi, ya'ni talab bo'yicha emas va ular zaif lazerlar, atom kaskadlari va parametrik pastga aylantirish kabi misollarni o'z ichiga oladi.

Manbaning bir fotonli tabiatini ikkinchi tartibli korrelyatsiya funksiyasi yordamida kvantlash mumkin . Ideal bitta fotonli ko'rsatadi va yaxshi bir fotonli kichikdir . Ikkinchi tartibli korrelyatsiya funktsiyasini Hanberi-Braun-Twiss effekti yordamida o'lchash mumkin.

 
Bitta fotonning paydo bo'lishi manba optik yoki elektr qo'zg'alishdan keyin floresans muddati davomida faqat bitta fotonni yaratganda sodir bo'ladi. Ideal bitta fotonli manba hali yaratilmagan. Yuqori sifatli bitta fotonli manba uchun asosiy ilovalar kvant kalitlari taqsimoti, kvant takrorlagichlari va kvant axborot fani ekanligini hisobga olsak, hosil bo'lgan fotonlar optik tolalar orqali harakatlanayotganda kam yo'qotish va zaiflashishni ta'minlaydigan to'lqin uzunligiga ega bo'lishi kerak. . Hozirgi vaqtda yagona fotonlarning eng keng tarqalgan i bitta molekulalar, Ridberg atomlari, olmos rang markazlari va kvant nuqtalari bo'lib, oxirgisi ko'plab tadqiqot guruhlari tomonidan xonada bitta fotonlarni lyuminestsatsiya qiluvchi kvant nuqtalarini amalga oshirish uchun keng miqyosda o'rganilmoqda. optik tolali aloqaning past yo'qotish oynasida fotonlar bilan harorat. Ko'p maqsadlar uchun bitta fotonlar to'planishiga qarshi bo'lishi kerak va buni tekshirish mumkin.