Quelltext der Seite Einzelphotonenquelle

Bei einer '''Einzelphotonenquelle''' handelt es sich um eine [[Fluoreszenz|fluoreszierende]] Lichtquelle, bei der nie zwei oder mehr [[Photon]]en gleichzeitig [[Spontane Emission|emittiert]] werden. Benötigt werden einzelne Photonen insbesondere in der [[Quanteninformation]]sverarbeitung und der [[Quantenkryptographie]].

== Aufbau ==
Es existieren sehr unterschiedliche Realisierungen von Einzelphotonenquellen. Frühe Systeme nutzten einzelne Atome oder Ionen; dabei ist es entscheidend, dass das emittierende Atom möglichst still gehalten wird, was durch verschiedene Anordnungen sichergestellt werden kann. Die Wahrscheinlichkeit spontaner Emission kann aufgrund des [[Purcell-Effekt]]s durch einen [[Resonator]] hoher [[Gütefaktor|Güte]] erhöht werden.

=== Einzelne Atome oder Ionen in Kühlfallen ===
Insbesondere die ursprünglichen Arbeiten von [[Leonard Mandel|L. Mandel]]<ref>{{Literatur |Autor=H. J. Kimble, M. Dagenais, und L. Mandel |Titel=Photon antibunching in resonance fluorescence |Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. |Nummer=39 |Datum=1977 |Seiten=691 |Sprache=en}}</ref> und [[Herbert Walther (Physiker)|H. Walther]]<ref>{{Literatur |Autor=F. Diedrich und H. Walther |Titel=Nonclassical radiation of a single stored ion |Sammelwerk=Phys. Rev. Lett. |Nummer=58 |Datum=1987 |Seiten=203 |Sprache=en}}</ref> basierten darauf, dass Ionen in magnetischen [[Kühlfalle]]n festgehalten wurden. Die Wellenlänge des emittierten Lichts entspricht dann gerade einem Übergang des Ions. Um [[Doppler-Effekt]] und thermische Kollisionen zu vermeiden, müssen die Ionen tief abgekühlt werden. Aufgrund des "[[Photon Antibunching]]"-Effekts ist sichergestellt, dass erst ein zweites Photon emittiert wird, wenn das Ion ein anderes Photon absorbiert hat.<ref>{{Literatur |Autor=Brahim Lounis, Michel Orrit |Titel=Single-photon sources |Sammelwerk=Rep. Prog. Phys. |Band=68 |Nummer=5 |Datum=2005-04-21 |Seiten=1129 |DOI=10.1088/0034-4885/68/5/R04 |Sprache=en}}</ref><ref name="braig">{{Internetquelle |autor=C. Braig |url=https://xqp.physik.uni-muenchen.de/publications/files/theses_diplom/diplom_braig.pdf |titel=Festkörperbasierte Einzelphotonenquelle |titelerg=Diplomarbeit an der Fakultät für Physik |hrsg=LMU München |datum=2001-12-14 |format=PDF; 2,7&nbsp;MB |sprache=de |abruf=2012-03-05 |kommentar=siehe Einleitung}}</ref> Die Photonen haben demnach einen minimalen zeitlichen Abstand zueinander, der bei den beschriebenen Systemen in der Größenordnung von 10&nbsp;ns liegt.

=== Farbzentren im Festkörper ===
Bei [[Farbzentrum|Farbzentren]] handelt es sich um Defekte in einem Festkörper, z.&nbsp;B. einem [[Diamant]] oder einem Halbleiter mit geringer Bandlücke. Im Festkörper sind die atomaren Lichtquellen bereits fest fixiert, weshalb keine [[Kryogen (Technik)|kryogenen Temperaturen]] und auch kein starkes Magnetfeld notwendig sind. Da es sich bei den Defekten um verschiedene Effekte handeln kann, wie Zwischenräume, Fremdatome, Löcher, Ladungsbarrieren, so liegen die emittierten Photonen meist nicht in dem Wellenlängenbereich eines gewöhnlichen Atomübergangs.<ref name="AET2016">{{Literatur |Autor=Igor Aharonovich, Dirk Englund, Milos Toth |Titel=Solid-state single-photon emitters |Sammelwerk=Nature Photonics |Band=10 |Datum=2016 |Seiten=631–641 |DOI=10.1038/nphoton.2016.186 |Sprache=en}} </ref>

Es gibt keine kommerzielle Einzelphotonenquellen.

=== Quantenpunkte ===
[[Quantenpunkt]]e werden meist als nanoskopische [[Halbleiter]]-Kristallite in einer Matrix oder Schale eines anderen Halbleiters (oder Isolators) mit größerer [[Bandlücke]] hergestellt. Für nasschemisch erzeugte Quantenpunkte ist [[CdSe]] in  einer [[ZnS]]-Matrix üblich. Mittels [[Epitaxie]] hergestellte Quantenpunkte sind typisch kristalline [[InGaAs]]-Inseln, eingebettet in einer [[GaAs]]-Matrix. 

Quantenpunkte bieten eine sehr gute und effektive Möglichkeit, einzelne Photonen zu erzeugen. Die Photonen können mit hoher Effizienz erzeugt werden.<ref name="LodahlMahmoodian2015">{{cite journal |first1=Peter |last1=Lodahl |first2=Sahand |last2=Mahmoodian |first3=Søren |last3=Stobbe |date=2015 |title=Interfacing single photons and single quantum dots with photonic nanostructures |journal=Reviews of Modern Physics |volume=87 |issue=2 |pages=347–400 |doi=10.1103/RevModPhys.87.347 |issn=0034-6861 |language=en}}</ref> Bei guten Quantenpunkten sind die emittierten Photonen außerdem ununterscheidbar<ref name="HuberReindl2017">{{cite journal |first1=Daniel |last1=Huber |first2=Marcus |last2=Reindl |first3=Yongheng |last3=Huo |first4=Huiying |last4=Huang |first5=Johannes S. |last5=Wildmann |first6=Oliver G. |last6=Schmidt |first7=Armando |last7=Rastelli |first8=Rinaldo |last8=Trotta |date=2017 |title=Highly indistinguishable and strongly entangled photons from symmetric GaAs quantum dots |journal=Nature Communications |volume=8 |issue=1 |doi=10.1038/ncomms15506 |issn=2041-1723 |language=en}}</ref> und die Quantenpunkte sind in der [[Quantenkryptographie]] einsetzbar. InGaAs/GaAs-Quantenpunkte sind zudem gut in [[Optoelektronik|optoelektronische Bauelemente]] integrierbar.<ref>W. Unrau, D. Quandt, J.-H. Schulze, T. Heindel, T.D. Germann, O. Hitzemann, A. Strittmatter, S. Reitzenstein, U.W. Pohl, and D. Bimberg: ''Electrically driven single photon source based on a site-controlled quantum dot with self-aligned current injection''. In: ''Applied Physics Letters'' Nr. 101, 2012 S. 211119.[https://pubs.aip.org/aip/apl/article-abstract/101/21/211119/127637/Electrically-driven-single-photon-source-based-on?redirectedFrom=fulltext '' '']</ref><ref>S. Rodt, S. Reitzenstein, T. Heindel, ''Deterministically fabricated solid-state quantum-light sources''. In: ''J. Phys.: Condens. Matter'', Nr. 32, 2020, S. 153003.[https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/ab5e15 '' '']</ref>

== Parametrische Fluoreszenz ==
Eine häufig angewandte Methode stellt die [[parametrische Fluoreszenz]] (engl. {{lang|en|''parametric down conversion''}}, PDC) dar. Hier wird in einem nichtlinearen Kristall ein energiereiches Photon in zwei Photonen der halben Energie umgewandelt. Beide Photonen können miteinander [[Quantenverschränkung|verschränkt]] sein, d.&nbsp;h., sie besitzen 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 ermöglicht.

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=[[Philippe Grangier]], Barry Sanders, Jelena Vuckovic |Titel=Focus on Single Photons on Demand |Sammelwerk=New Journal of Physics |Band=6 |Datum=2004 |DOI=10.1088/1367-2630/6/1/E04 |Sprache=en}}

== Weblinks ==
* {{Webarchiv |url=http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2004/025b.html |wayback=20080926083438 |text=''parametric down conversion''}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Quantenphysik]]