Fuente de fotones individuales

Una fuente de fotones individuales es una fuente de luz que emite luz en forma de partículas individuales o fotones . Las fuentes de fotones individuales se distinguen de las fuentes de luz coherente ( láseres ) y de las fuentes de luz térmica, como las bombillas incandescentes . El principio de incertidumbre de Heisenberg establece 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 de número) pueden estudiarse para un sistema donde la amplitud del campo eléctrico se distribuye en un ancho de banda estrecho. En este contexto, una fuente de fotones individuales da lugar a un estado de número de un solo fotón.

Los fotones de una fuente ideal de fotones individuales exhiben características cuánticas . Estas características incluyen el antibunching de fotones , de modo que el tiempo entre dos fotones sucesivos nunca es menor que un valor mínimo. Este comportamiento se puede demostrar experimentalmente utilizando un divisor de haz y detectores de fotones individuales, como fotodiodos de avalancha , que monitorizan la salida del divisor de haz. La detección de un detector se utiliza para proporcionar una señal de "inicio del contador" a un temporizador electrónico rápido, y la del otro, una señal de "fin del contador". En el caso de un flujo de fotones individuales hacia este aparato de medición, no habrá eventos de detección coincidentes. Al medir repetidamente los tiempos entre las señales de "inicio" y "fin", se puede formar un histograma de los retardos temporales entre dos fotones consecutivos. Si se observa una verdadera fuente de fotones individuales, los fotones están separados temporalmente y se observa una muesca clara alrededor del retardo cero.

Aunque el concepto de fotón único fue propuesto por Planck ya en 1900, ^{[ 1 ]} una verdadera fuente de fotones únicos no se creó de forma aislada hasta 1974. Esto se logró utilizando una transición en cascada dentro de 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 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. ^{[ 3 ]}

Otra fuente de fotones individuales apareció en 1977, la cual utilizó la fluorescencia de un haz atenuado de átomos de sodio. ^{[ 4 ]} Un haz de átomos de sodio se atenuó de manera que no más de uno o dos átomos contribuyeran a la radiación de fluorescencia observada en ningún momento. De esta forma, solo emisores individuales producían luz y la fluorescencia observada mostraba el antibunching característico. El aislamiento de átomos individuales continuó con trampas de iones a mediados de la década de 1980. Un solo ion podía 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 la actualidad, se ha convertido en la herramienta principal de los experimentos que requieren fotones individuales.

Los avances en microscopía permitieron el aislamiento de moléculas individuales a finales de la década de 1980. ^{[ 6 ]} Posteriormente, se detectaron moléculas individuales de pentaceno en cristales de p - terfenilo . ^{[ 7 ]} Estas moléculas individuales han comenzado a utilizarse como fuentes de fotones individuales. ^{[ 8 ]}

En el siglo XXI han surgido centros de defectos en diversos materiales de estado sólido, ^{[ 9 ]} especialmente en diamante, carburo de silicio ^{[ 10 ] [ 11 ]} y nitruro de boro . ^{[ 12 ]} El defecto más estudiado son los centros de vacancia de nitrógeno (NV) en diamante que se utilizaron como fuente de fotones individuales. ^{[ 13 ]} Estas fuentes, junto con las moléculas, pueden utilizar el fuerte confinamiento de la luz (espejos, microresonadores, fibras ópticas, guías de onda, etc.) para mejorar la emisión de los centros NV. Además de los centros NV y las moléculas, los puntos cuánticos (QD), ^{[ 14 ]} los puntos cuánticos atrapados en antenas ópticas , ^{[ 15 ]} los nanotubos de carbono funcionalizados, ^{[ 16 ] [ 17 ]} y los materiales bidimensionales ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} 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 la longitud de onda de telecomunicaciones de 1550  nm son muy importantes en la comunicación por fibra óptica y son principalmente QD de arseniuro de indio. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Sin embargo, al crear una interfaz cuántica de conversión descendente a partir de fuentes de fotones individuales visibles, todavía se puede crear un fotón individual a 1550  nm con antibunching preservado. ^{[ 27 ]}

La excitación de átomos y excitones a niveles de Rydberg altamente interactuantes impide más de una excitación en el llamado volumen de bloqueo. Por lo tanto, la excitación de Rydberg en pequeños conjuntos atómicos ^{[ 28 ]} o cristales ^{[ 29 ]} podría actuar como emisores de fotones individuales.

En la teoría cuántica, los fotones describen la radiación electromagnética cuantizada . Específicamente, un fotón es una excitación elemental de un modo normal del campo electromagnético . Por lo tanto, un estado de un solo fotón es el estado cuántico de un modo de radiación que contiene una sola excitación. Este tipo de estado está completamente deslocalizado.

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 un solo fotón también se refieren a superposiciones matemáticas de modos de radiación de frecuencia única ( monocromáticos ). ^{[ 30 ]} 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 de fotones individuales generan estados de fotones individuales como se describió anteriormente. En otras palabras, las fuentes ideales de fotones individuales generan radiación con una distribución del número de fotones que tiene una media de uno y una varianza de cero. ^{[ 31 ]}

Una fuente ideal de fotones individuales produce estados de fotones individuales con una probabilidad del 100 % y vacío óptico o estados multifotónicos con una probabilidad del 0 %. Las propiedades deseables de las fuentes de fotones individuales del mundo real incluyen eficiencia, robustez, facilidad de implementación y naturaleza bajo demanda, es decir, generar fotones individuales en momentos elegidos arbitrariamente. Las fuentes de fotones individuales que incluyen emisores individuales como átomos, iones y moléculas individuales, e incluyendo emisores de estado sólido como puntos cuánticos , centros de color y nanotubos de carbono son bajo demanda. ^{[ 31 ]} Actualmente, hay muchos nanomateriales activos diseñados como emisores cuánticos individuales donde su emisión espontánea puede 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 fotones individuales. ^{[ 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 monofotónica de una fuente se puede cuantificar utilizando la función de correlación de segundo orden.${\displaystyle g^{(2)}(\tau)}$Las fuentes ideales de fotones individuales muestran ${\displaystyle g^{(2)}(0)=0}$y las buenas fuentes de fotones individuales tienen pequeñas${\displaystyle g^{(2)}(0)}$La función de correlación de segundo orden se puede medir utilizando el efecto Hanbury-Brown-Twiss .

La generación de un solo fotón ocurre cuando una fuente crea solo un fotón dentro de su tiempo de vida de fluorescencia después de ser excitada óptica o eléctricamente. Aún no se ha creado una fuente ideal de fotones individuales. Dado que las principales aplicaciones para una fuente de fotones individuales de alta calidad son la distribución de claves cuánticas , los repetidores cuánticos ^{[ 34 ]} y la ciencia de la información cuántica , los fotones generados también deben tener una longitud de onda que produzca 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 ]} centros de color de diamante y puntos cuánticos, siendo estos últimos ampliamente estudiados con esfuerzos de muchos grupos de investigación para lograr puntos cuánticos que fluorescen 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 ser antibunchados, y esto puede verificarse.

Se pueden generar pares de fotones individuales en estados altamente correlacionados utilizando un solo fotón de alta energía para crear dos de menor energía. Un fotón del par resultante puede ser detectado para "anunciar" al otro (por lo 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 ^{[ 38 ]} ). Los dos fotones no necesitan tener la misma longitud de onda en general, pero la energía total y la polarización resultante están definidas por el proceso de generación. Un área de gran interés para tales pares de fotones es la distribución de clave cuántica .

Las fuentes de fotones individuales anunciados también se utilizan para examinar las leyes fundamentales de la física en mecánica cuántica. Existen dos tipos comunes de fuentes de fotones individuales anunciados: la conversión descendente paramétrica espontánea y la mezcla de cuatro ondas espontánea . La primera fuente tiene un ancho de línea de alrededor de THz y la segunda, de alrededor de MHz o menor. El fotón individual anunciado se ha utilizado para demostrar el almacenamiento fotónico y la carga en la cavidad óptica.

• R. Loudon, La teoría cuántica de la luz, :Oxford University Press, 3ª edición (2000).
• Planck, M. (1900). "Über eine Verbesserung der Wienschen Spektralgleichung". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft . 2 : 202-204 .Traducido en ter Haar, D. (1967). "Sobre una mejora de la ecuación de Wien para el espectro" (PDF) . La vieja teoría cuántica . Pergamon Press . págs. 79–81 . LCCN 66029628 .