싱글 포토톤 소스

Single-photon source

단일광자원은 빛을 단일 입자나 광자로 발산하는 광원이다.그것들은 일관성 있는 광원(레이저)과 백열등과 같은 열광원과 구별된다.하이젠베르크 불확실성 원리는 단일 주파수의 광자 수가 정확한 상태를 만들 수 없다는 것을 지시한다.단, Fock 상태(또는 숫자 상태)는 좁은 대역폭을 통해 전기장 진폭이 분산되는 시스템에 대해 연구할 수 있다.이러한 맥락에서, 단일 사진 선원은 효과적으로 1 사진 숫자 상태를 발생시킨다.이상적인 단일 광원의 광자는 양자 역학적 특성을 나타낸다.이러한 특성은 광자 항균 작용을 포함하므로 두 연속 광자 사이의 시간이 어떤 최소값보다 결코 짧지 않다.이것은 보통 빔 스플리터를 사용하여 입사 광자의 약 절반을 눈사태 광다이오드를 향해, 그리고 절반은 1초를 향해 향하도록 지시함으로써 증명된다.한 검출기에서 나오는 펄스는 '카운터 스타트' 신호를 고속 전자 타이머로 제공하고, 다른 검출기는 알려진 숫자의 나노초 지연을 통해 '카운터 정지' 신호를 제공하는 데 사용된다.'시작' 신호와 '정지' 신호 사이의 시간을 반복적으로 측정함으로써 두 광자 사이의 시간 지연과 우연 카운트의 히스토그램을 형성할 수 있다- 뭉칭이 발생하지 않고 광자가 실제로 잘 간격을 두고 있으면 제로 지연을 둘러싼 분명한 노치가 보인다.

역사

비록 단일 광자의 개념은 일찍이 1900년에 플랑크에 의해 제안되었지만,[1] 진정한 단일 광자원은 1974년에 이르러서야 고립된 상태에서 생성되었다.이것은 수은 원자 내의 계단식 전환을 이용함으로써 달성되었다.[2]개별 원자는 계단식 전환에서 서로 다른 주파수에서 두 개의 광자를 방출하고, 광자를 분광적으로 필터링하여 다른 광자의 관측을 '소거'하는 데 사용할 수 있다.이러한 단일 광자의 관찰은 1956년의 유명한 Hanbury Brown과 Twiss 실험과 유사한 방식으로 빔플리터의 두 출력 포트에서의 항균성으로 특징지어졌다.[3]

1977년에 또 다른 단광 원자가 나왔고, 감쇠된 나트륨 원자의 광선으로부터 형광을 이용했다.[4]나트륨 원자의 빔을 감쇠시켜 한 번에 하나 또는 두 개 이상의 원자가 관측된 형광 방사선에 기여하지 않도록 했다.이렇게 해서 오직 한 개의 방출체만이 빛을 내고 있었고 관찰된 형광은 특징적인 항균성을 보여주었다.개별 원자의 격리는 1980년대 중반 이온 트랩과 함께 계속되었다.단 하나의 이온은 무선 주파수 폴 트랩에 장기간(10분) 보유할 수 있으므로, 데이드리히와 발터의 실험에서와 같이 복수의 단일 광자의 단일 방출체 역할을 할 수 있다.[5]동시에 파라메트릭 다운 변환의 비선형 프로세스가 활용되기 시작했으며 이때부터 현재까지 단일 광자를 요구하는 실험의 주역이 되었다.

현미경 검사의 발달은 1980년대 말에 단일 분자를 분리하는 결과를 가져왔다.[6]그 후 p-terphenyl 결정에서 단일 펜타센 분자가 검출되었다.[7]그 단일 분자는 단일 광자원으로 이용되기 시작했다.[8]

21세기 안에 다양한 고체 재료의 결함 센터가 등장했는데,[9] 가장 두드러진 것은 다이아몬드, 실리콘 카바이드[10][11], 질화 붕소 등이다.[12]가장 많이 연구된 결함은 다이아몬드 내의 질소 공실(NV) 센터로서 단일 광자의 공급원으로 이용되었다.[13]분자와 함께 이러한 선원은 빛의 강한 구속(미러, 마이크로레조네이터, 광섬유, 도파관 등)을 사용하여 NV 센터의 배출을 향상시킬 수 있다.NV센터와 분자뿐 아니라 양자점(QD),[14] 기능성 탄소나노튜브,[15][16] 2차원 소재도[17][18][19][20][21][22][23] 단일 광자를 방출할 수 있으며, 빛-유형 구조와 동일한 반도체 재료로 시공할 수 있다.통신 파장 1,550nm의 단일 광자원은 광섬유 통신에서 매우 중요하며 대부분 인듐 비소 QD라는 점에 주목한다.[24][25] 단, 가시적인 단일 광자 소스에서 다운변환 양자 인터페이스를 생성함으로써, 1550nm의 광자 1개를 항균처리하여 만들 수 있다.[26]

매우 상호작용하는 Rydberg 수준에 대한 흥미진진한 원자와 흥분제는 소위 봉쇄 볼륨에 대한 하나 이상의 흥분성을 방지한다.따라서 작은 원자 앙상블이나[27][28] 결정체에서의[29] 라이드버그의 흥분은 단일 광자 방출체로 작용할 수 있다.

정의

양자 이론에서 광자는 양자화된 전자기 방사선을 기술한다.특히, 광자는 전자기장의 정상모드의 기초적인 흥분이다.따라서 단일 광자 상태는 단일 흥분 상태를 포함하는 방사선 모드의 양자 상태를 의미한다.

단일 방사선 모드는 그들이 설명하는 전자기 방사선의 주파수로 표시된다.그러나 양자 광학에서 단색 광학 상태에서는 단색광학(단색광학) 방사선 모드의 수학적인 초상을 언급하기도 한다.[30]이 정의는 광자파패킷, 즉 공간과 시간에 어느 정도 국부화된 방사선 상태를 포함할 수 있을 정도로 일반적이다.

단일 포톤 소스는 위에서 설명한 것처럼 단일 포톤 상태를 생성한다.즉, 이상적인 단일 광원 선원은 평균 1과 분산이 0인 광자 수 분포로 방사선을 생성한다.[31]

특성.

이상적인 단일 광자 선원은 100% 확률의 단일 광자 상태와 0% 확률의 광학적 진공 또는 다중 광자 상태를 생성한다.실제 단일 포톤 소스의 바람직한 특성에는 효율성, 견고성, 구현 용이성 및 주문형 특성(즉, 임의로 선택한 시간에 단일 포톤을 생성하는 것)이 포함된다.단일 원자, 이온, 분자 등 단일 방사체와 양자점, 색중심, 탄소나노튜브 등 고체 방출체를 포함한 단일 광원이 주문형이다.[32]현재, 단일 양자 방출체로 설계된 많은 활성 나노 물질들이 있는데, 이 물질들의 자발적 방출은 유전 나노 구조에서 광학 상태의 국부적 밀도를 변화시킴으로써 조정될 수 있다.유전체 나노 구조는 대개 광물질 상호작용을 향상시키고, 따라서 이러한 단일 광자원의 효율을 더욱 향상시키기 위해 이질 구조 내에 설계된다.[33][34]또 다른 유형의 선원은 비결정론적 선원으로 구성된다. 즉, 온 디맨드가 아니며, 이러한 선원은 약한 레이저, 원자 폭포, 파라메트릭 다운-변환과 같은 예를 포함한다.

The single-photon nature of a source can be quantized using the second-order correlation function . Ideal single-photon sources show and good single-photon sources have small .2차 상관 함수는 Hanbury-Brown-Twiss 효과를 이용하여 측정할 수 있다.

종류들

단일 광자의 생성은 광학적으로 또는 전기적으로 흥분한 후 소스가 형광 수명 내에 하나의 광자만 생성할 때 발생한다.이상적인 단일광자원은 아직 만들어지지 않았다.고품질 단일광자 선원의 주요 적용 분야가 양자키 분포, 양자 반복기[35], 양자 정보 과학인 점을 감안할 때, 생성된 광자는 광섬유를 통과할 때 낮은 손실과 감쇠를 주는 파장을 가져야 한다.오늘날 단일 광자의 가장 흔한 원천은 단일 분자, Rydberg 원자,[36][37] 다이아몬드 색상 센터, 양자 점이며, 마지막은 광섬유 통신의 낮은 손실 창에서 광자와 함께 실온에서 단일 광자를 형광 투과하는 양자 점을 실현하기 위한 많은 연구 그룹의 노력으로 널리 연구되고 있다.많은 목적을 위해 단일 광자는 버밍 방지 처리가 필요하며, 이를 검증할 수 있다.

희미한 레이저

가장 처음이자 가장 쉬운 소스 중 하나는 기존의 레이저 빔을 감쇠시켜 그 강도를 낮추고 그에 따라 펄스당 평균 광자 수를 줄임으로써 만들어졌다.[38]광자 통계량은 포아송 분포를 따르므로 1 대 2 이상의 광자 방출에 대해 잘 정의된 확률비로 선원을 달성할 수 있다.예를 들어 μ = 0.1의 평균값은 0 광자의 경우 90%, 1 광자의 경우 9%, 1개 이상의 광자의 경우 1%의 확률로 이어진다.[39]

이러한 소스는 특정 용도에 사용할 수 있지만 2차 강도 상관 기능은 1(항균 없음)과 같다.그러나 많은 응용 프로그램의 경우 예를 들어 양자암호법에서 안티펀칭이 필요하다.

예고된 단일 광자

단일 광자 쌍은 높은 에너지 광자 하나를 사용하여 낮은 에너지 광자 두 개를 생성하는 것으로부터 상호 연관성이 높은 상태에서 생성될 수 있다.결과 쌍의 한 광자는 다른 광자를 '소거'하기 위해 검출될 수 있다(그러므로 검출하기 전에 상태가 상당히 잘 알려져 있다).두 광자는 일반적으로 같은 파장을 필요로 하지 않지만 총 에너지와 그에 따른 편광은 생성 과정에 의해 정의된다.그러한 광자 쌍에 대한 관심이 높은 영역 중 하나는 QKD이다.

예고된 단일광자원은 양자역학의 기초물리 법칙을 검사하는 데도 사용된다.일반적으로 사용되는 두 가지 유형의 단일 광원 선원이 있다: 자발적 파라메트릭 다운 변환과 자발적 4파 혼합이다.첫 번째 소스는 THz 주위에 선 너비를 가지고 있고, 두 번째 소스는 MHz 또는 더 좁은 주위에 선 너비를 가지고 있다.예고된 단일 광자는 광학 저장 및 광학 공동으로의 부하를 시연하기 위해 사용되어 왔다.

참조

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참고 문헌 목록