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Fuente de un solo fotón

Una fuente monofotónica (también conocida como emisor monofotónico ) [1] es una fuente de luz que emite luz como partículas individuales o fotones . Las fuentes monofotónicas son distintas 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 la amplitud del campo eléctrico se distribuye en un ancho de banda estrecho. En este contexto, una fuente monofotónica da lugar a un estado numérico de un solo fotón.

Los fotones de una fuente ideal de un solo fotón presentan características mecánicas cuánticas . Estas características incluyen el antiagrupamiento de fotones , de modo que el tiempo entre dos fotones sucesivos nunca es menor que un valor mínimo. Este comportamiento normalmente se demuestra utilizando un divisor de haz para dirigir aproximadamente la mitad de los fotones incidentes hacia un fotodiodo de avalancha y la otra mitad hacia un segundo. Los pulsos de un detector se utilizan para proporcionar una señal de "inicio del contador" a un temporizador electrónico rápido, y el otro, retrasado por un número conocido de nanosegundos, se utiliza para proporcionar una señal de "parada del contador". Al medir repetidamente los tiempos entre las señales de "inicio" y "parada", se puede formar un histograma del retraso de tiempo entre dos fotones y el recuento de coincidencias: si no se produce agrupamiento y los fotones están bien espaciados, es visible una muesca clara alrededor del retraso cero.

Historia

Aunque el concepto de fotón único fue propuesto por Planck en 1900, [2] una verdadera fuente de fotón único no fue creada de manera aislada hasta 1974. Esto se logró utilizando una transición en cascada dentro de los átomos de mercurio. [3] 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" el otro. La observación de estos fotones únicos 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. [4]

En 1977 se creó otra fuente monofotónica que utilizaba la fluorescencia de un haz atenuado de átomos de sodio. [5] Se atenuó un haz de átomos de sodio de modo que no más de uno o dos átomos contribuyeran a la radiación de fluorescencia observada en un momento dado. De esta manera, solo los emisores individuales producían luz y la fluorescencia observada mostraba el antiagrupamiento característico. El aislamiento de átomos individuales continuó con trampas de iones a mediados de los años 80. Un solo ion podía mantenerse en una trampa de Paul de radiofrecuencia durante un período prolongado (10 min) actuando así como un único emisor de múltiples fotones individuales, como en los experimentos de Diedrich y Walther. [6] Al mismo tiempo, se empezó a utilizar el proceso no lineal de conversión descendente paramétrica 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 condujeron al aislamiento de moléculas individuales a finales de la década de 1980. [7] Posteriormente, se detectaron moléculas individuales de pentaceno en cristales de p - terfenilo . [8] Las moléculas individuales han comenzado a utilizarse como fuentes de fotones individuales. [9]

En el siglo XXI han surgido centros de defectos en varios materiales de estado sólido, [10] más notablemente diamante, carburo de silicio [11] [12] y nitruro de boro. [13] El defecto más estudiado son los centros de vacancia de nitrógeno (NV) en diamante que se utilizaron como fuente de fotones individuales. [14] Estas fuentes junto con las moléculas pueden utilizar el fuerte confinamiento de la luz (espejos, microresonadores, fibras ópticas, guías de ondas, etc.) para mejorar la emisión de los centros NV. Además de los centros NV y las moléculas, los puntos cuánticos (QD), [15] puntos cuánticos atrapados en antenas ópticas, [16] nanotubos de carbono funcionalizados, [17] [18] y materiales bidimensionales [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] también pueden emitir fotones individuales y pueden construirse a partir de los mismos materiales semiconductores que las estructuras de confinamiento de luz. Se observa que las fuentes de fotones individuales en una longitud de onda de telecomunicaciones de 1550 nm son muy importantes en la comunicación por fibra óptica y en su mayoría son puntos cuánticos de arseniuro de indio. [26] [27] Sin embargo, al crear una interfaz cuántica de conversión descendente a partir de fuentes de fotones individuales visibles, aún se puede crear un fotón individual a 1550 nm con antiagrupamiento preservado. [28]

La excitación de átomos y excitones a niveles de Rydberg altamente interactivos evita que se produzca más de una excitación en el llamado volumen de bloqueo. Por lo tanto, la excitación de Rydberg en pequeños conjuntos atómicos [29] o cristales [30] podría actuar como un único emisor de fotones.

Definición

En la teoría cuántica, los fotones describen la radiación electromagnética cuantizada . En concreto, un fotón es una excitación elemental de un modo normal del campo electromagnético . Por tanto, un estado monofotónico es el estado cuántico de un modo de radiación que contiene una única excitación.

Los modos de radiación individuales se etiquetan, 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 ). [31] Esta definición es lo suficientemente general como para incluir paquetes de ondas de fotones , es decir, estados de radiación que están localizados en cierta medida en el espacio y el tiempo.

Las fuentes monofotónicas generan estados monofotónicos como se describió anteriormente. En otras palabras, las fuentes monofotónicas ideales generan radiación con una distribución de número de fotones que tiene una media de uno y una varianza de cero. [32]

Características

Una fuente ideal de un solo fotón produce estados de un solo fotón con una probabilidad del 100% y estados de vacío óptico o multifotón con una probabilidad del 0%. Las propiedades deseables de las fuentes de un solo fotón del mundo real incluyen la eficiencia, la robustez, la facilidad de implementación y la naturaleza a demanda, es decir, la generación de fotones individuales en momentos elegidos arbitrariamente. Las fuentes de un solo fotón que incluyen emisores individuales como átomos, iones y moléculas individuales, e incluyen emisores de estado sólido como puntos cuánticos , centros de color y nanotubos de carbono son a demanda. [33] Actualmente, hay muchos nanomateriales activos diseñados en emisores cuánticos individuales donde su emisión espontánea podría ajustarse 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 un solo fotón. [34] [35] Otro tipo de fuentes son las fuentes no deterministas, es decir, no bajo demanda, y entre ellas se incluyen ejemplos como los láseres débiles, las cascadas atómicas y la conversión descendente paramétrica .

La naturaleza monofotónica de una fuente se puede cuantificar utilizando la función de correlación de segundo orden . Las fuentes monofotónicas ideales muestran y las buenas fuentes monofotónicas tienen valores pequeños . 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 ser excitada óptica o eléctricamente. Aún no se ha creado una fuente ideal de un solo fotón. Dado [ cita requerida ] que las principales aplicaciones para una fuente de un solo fotón de alta calidad son la distribución de clave cuántica , los repetidores cuánticos [36] [ dudoso – discutir ] y la ciencia de la información cuántica , los fotones generados también deberían tener una longitud de onda que dé baja pérdida y atenuación al viajar a través de una fibra óptica. Hoy en día, las fuentes más comunes de fotones individuales [ cita requerida ] son ​​moléculas individuales, átomos de Rydberg, [37] [ dudoso – discutir ] centros de color de diamante y puntos cuánticos, siendo este último ampliamente estudiado [ cita requerida ] } con esfuerzos de muchos grupos de investigación para realizar puntos cuánticos que emitan fluorescencia de fotones individuales a temperatura ambiente con fotones en la ventana de baja pérdida de la comunicación por fibra óptica . Para muchos propósitos, los fotones individuales deben estar antiagrupados, y esto se puede verificar.

Láser débil

Una de las primeras y más sencillas fuentes fue creada atenuando un haz de láser convencional para reducir su intensidad y, por lo tanto, el número medio de fotones por pulso. [38] Dado que las estadísticas de fotones siguen una distribución de Poisson, se pueden lograr fuentes con una razón de probabilidad bien definida 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, del 9 % para un fotón y del 1 % para más de un fotón. [39]

Aunque una fuente de este tipo se puede utilizar para ciertas 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 a partir del uso de un único fotón de alta energía para crear dos de menor energía. Se puede detectar un fotón del par resultante para "anunciar" al otro (de modo que su estado es bastante conocido antes de la detección, siempre que el estado de los dos fotones sea separable; de ​​lo contrario, el "anunciamiento" deja al fotón anunciado en un estado mixto [40] ). Los dos fotones no necesitan tener generalmente 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 la distribución de claves cuánticas .

Las fuentes de fotón único anunciadas también se utilizan para examinar las leyes fundamentales de la física en la mecánica cuántica. Hay dos tipos de fuentes de fotón único anunciadas que se utilizan comúnmente: conversión descendente paramétrica espontánea y mezcla espontánea de cuatro ondas. La primera fuente tiene un ancho de línea de alrededor de THz y la segunda tiene un ancho de línea de alrededor de MHz o más estrecho. El fotón único anunciado se ha utilizado para demostrar el almacenamiento y la carga de fotónica en la cavidad óptica.

Referencias

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Bibliografía