Einzelphotonenquelle

Bei einer Einzelphotonenquelle (auch Ein-Photon-Quelle) handelt es sich um eine Lichtquelle, bei der nie zwei oder mehr Photonen gleichzeitig emittiert werden. Benötigt werden einzelne Photonen insbesondere in der Quanteninformationsverarbeitung.

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Die einfachste Realisierung von Einzelphotonenquellen stellen einzelne fluoreszierende Quantensysteme dar, wie beispielsweise einzelne Atome, einzelne Quantenpunkte, einzelne Defekte in Diamanten oder einzelne Moleküle in Festkörpern, die auch alle realisiert wurden. Nachdem ein einzelnes Quantensystem ein Photon emittiert hat, dauert es eine Weile bis das System wieder angeregt ist und ein zweites Photon aussenden kann. Die Photonen haben demnach einen minimalen zeitlichen Abstand zueinander, der bei den beschriebenen Systemen in der Größenordnung von 10 ns liegt. Das meist genutzte System sind einzelne Atome in einem Hohlraumresonator.
Hier werden einzelne Atome aus einer magneto-optischen Falle in einem Hohlraumresonator fallen gelassen und durch einen Laser angeregt. Durch den Hohlraumresonator erhält man einen räumlich gerichteten Ein-Photonen-Strahl. Alle Systeme haben Vor- und Nachteile und unterscheiden sich auch in ihren Einsatzgebieten. Beispielsweise sind Quantenpunkte eine sehr gute und effektive Möglichkeite einzelne Photonen zu erzeugen, allerdings unterscheiden sich so erzeugte Photonen leicht voneinander und sind in der Quantenkryptographie nicht einsetzbar.

Eine weitere häufig angewandte Methode stellt die parametrische Fluoreszenz (parametric down conversion, PDC) dar. Hier wird in einem nichtlinearen Kristall ein energiereiches Photon in zwei Photonen der halben Energie umgewandelt. Faszinierender Weise sind diese beiden Photonen verschränkt, d.h. sie bilden einen gemeinsamen Zustand, obwohl sie räumlich getrennt sind. Der große Vorteil dieser Methode liegt darin, dass das zweite Photon benutzt werden kann, um zu bestimmen zu welchem Zeitpunkt das einzelne Photon die Einzelphotonenquelle verlässt. Dies ist eine Eigenschaft, die viele Experimente in der Quantenoptik und Quanteninformation erst ermöglichen.

Im Grunde genommen handelt es sich auch bei einem gepulsten, immer weiter abgeschwächten Laserstrahl um eine Einzelphotonenquelle. Seine schwache Leistung gepaart mit der geringen, aber vorhandenen Wahrscheinlichkeit zwei Photonen gleichzeitig zu emittieren machen ihn aber für die meisten Anwendungen uninteressant.

Es gibt derzeit keine fertigen, kommerziellen Einzelphotonenquellen zu kaufen.