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Einzelphotonenquelle
Bei einer Einzelphotonenquelle handelt es sich um eine fluoreszierende Lichtquelle, bei der nie zwei oder mehr Photonen gleichzeitig emittiert werden.
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Begriff und Bedeutung
Eine Einzelphotonenquelle ist eine fluoreszierende Lichtquelle, die niemals zwei oder mehr Photonen gleichzeitig aussendet. Einzelne Photonen werden besonders für die Quanteninformationsverarbeitung und die Quantenkryptographie benötigt.
Es gibt sehr unterschiedliche technische Realisierungen. Zu ihnen gehören einzelne Atome oder Ionen in Kühlfallen, Farbzentren in Festkörpern, Quantenpunkte und die parametrische Fluoreszenz.
Grundlegender Aufbau
Frühe Einzelphotonenquellen verwendeten einzelne Atome oder Ionen. Dabei muss das lichtemittierende Teilchen möglichst still gehalten werden. Verschiedene Anordnungen sorgen für diese Fixierung.
Ein Resonator hoher Güte kann aufgrund des Purcell-Effekts die Wahrscheinlichkeit der spontanen Emission erhöhen. Spontane Emission bedeutet, dass ein angeregtes Atom oder ein anderes Quantensystem ohne äußeren Auslöser ein Photon abgibt.
Atome und Ionen in Kühlfallen
Die ursprünglichen Arbeiten von L. Mandel und H. Walther beruhten auf Ionen, die in magnetischen Kühlfallen festgehalten wurden. Die Wellenlänge des ausgesendeten Lichts entspricht dabei einem Übergang des jeweiligen Ions.
Die Ionen müssen stark abgekühlt werden, um den Doppler-Effekt und thermische Kollisionen zu vermeiden. Der Doppler-Effekt würde die beobachtete Lichtfrequenz durch die Bewegung des Ions verändern.
Das sogenannte Photon Antibunching stellt sicher, dass ein zweites Photon erst ausgesendet werden kann, nachdem das Ion wieder ein Photon aufgenommen hat. Zwischen zwei ausgesendeten Photonen liegt deshalb ein Mindestabstand. Bei den beschriebenen Systemen beträgt er ungefähr 10 ns.
Farbzentren und Quantenpunkte
Farbzentren sind Defekte in einem Festkörper, beispielsweise in Diamant oder in einem Halbleiter mit geringer Bandlücke. Als Defekte kommen unter anderem Zwischenräume, Fremdatome, Löcher und Ladungsbarrieren infrage. Da die atomaren Lichtquellen im Festkörper bereits fest sitzen, sind weder kryogene Temperaturen noch ein starkes Magnetfeld erforderlich. Die erzeugten Photonen liegen meistens nicht im Wellenlängenbereich eines gewöhnlichen Atomübergangs. Laut Artikel gibt es keine kommerziellen Einzelphotonenquellen.
Quantenpunkte sind meist nanoskopische Halbleiterkristallite, die sich in einer Matrix oder Schale aus einem anderen Halbleiter oder Isolator mit größerer Bandlücke befinden. Bei nasschemisch erzeugten Quantenpunkten ist CdSe in einer ZnS-Matrix üblich. Durch Epitaxie hergestellte Quantenpunkte bestehen typischerweise aus kristallinen InGaAs-Inseln in einer GaAs-Matrix.
Quantenpunkte können einzelne Photonen mit hoher Effizienz erzeugen. Bei guten Quantenpunkten sind die ausgesendeten Photonen zudem ununterscheidbar. Dadurch eignen sie sich für die Quantenkryptographie. InGaAs/GaAs-Quantenpunkte lassen sich außerdem gut in optoelektronische Bauelemente integrieren.
Parametrische Fluoreszenz
Die parametrische Fluoreszenz, englisch parametric down conversion (PDC), ist eine häufig verwendete Methode. In einem nichtlinearen Kristall wird dabei ein energiereiches Photon in zwei Photonen mit jeweils der halben Energie umgewandelt.
Die beiden Photonen können verschränkt sein. Verschränkung bedeutet hier, dass sie trotz räumlicher Trennung einen gemeinsamen Quantenzustand besitzen.
Ein wichtiger Vorteil besteht darin, dass eines der beiden Photonen als zeitliches Signal für das andere dienen kann: Mit ihm lässt sich bestimmen, wann das einzelne Photon die Quelle verlässt. Diese Eigenschaft ermöglicht viele Experimente der Quantenoptik und Quanteninformation.