Quantenpunkt-Einzelphotonenquelle

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Kwantepunkt-Einzelphotonequelle basiere uff einzelne Kwantepünkt, wo in ere optische Mikrokavität platziert werde. Si sinn än Einzelphotonequelle uff Abrüef. Ä pulste Laser cha äs Ladigsträgerpäärli im Kwantepunkt erzüüge. Selles nännt mer äs Exziton. Wäge de diskrete Energie-Niveaus cha numme ais Exziton gliichziitig i dr Kavität exischtiere. Dä Zerfall vum Exziton wäge spontaner Emission führt zur Uussendig vu aim einzelne Photon. Sie sinn nid-chlassischi Liechtquelle wo Antibündelig zeige. D Emission vu einzelne Photone cha mer noochwiise, i dem mer d Autokorrelationsfunktion vu zweiter Ordnig misst. D Liniebreiti vu de uusgsendete Photone cha mer mit de Verwendig vu Bragg-Spiegel (DBRs) verchliinere. Züesätzlich füeret d DBRs zu n ere Emission in ä wohldefiniirti Richtig.

Gschicht[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Mit äm wachsendä Gwunder a Kwanteinformationswüsseschafte sit äm Aafang vum 21. Jahrhundert hätt au d Forschig für verschiideni Arte vu Einzelphotonequelle zuegno. Früeni Einzelphotonequelle wie aachündigti Photone[1], wo im 1985 drüber brichtet worde isch, fuessä uff nid-deterministische Prozess. Kwantepünkt-Einzelphotonequelle sinn Quelle uff Abrüef. Über ä Einzelphotonequelle wo uff eme Kwantepunkt in ere Mikroschiibä-Struktur basiert, isch im 2000 brichtet worde[2]. Spöter sinn Quelle nooch un nooch in anderi Struktuure wie photonischi Kristall[3] oder Süüle[4] iibaut worde. D Ergänzig vu DBRs hät d Uussendig in ä wohldefinierti Richtig erlaubt und hät d Emissionseffizienz vergrösseret[5]. Kwantepünkt-Einzelphotonequelle mien bi kryogene Temperature betriibe werde, was immer no ä technischi Uuseforderig isch[5].

Theorie vu de Realisiirig vu Einzelphotonequelle[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Abbildig 1: Schematische Uufbau vu n ere optische Mikrokavität mit eme einzelne Kwantepunkt wo zwüsche zwei Schichtä vu DBRs platziert worde isch. Die Struktur funktioniert als Einzelphotonequelle.

Einzelni Photone werde uus em Halbleiter dur spontani Emission vum Zerfall vu nere einzelne Aaregig erzüügt. In de Kavität wird die spontani Emission durch de Purcell Effekt verstärkt[5]. D Uuseforderig bir Herstellig vu nere Einzelphotonequelle isch z Sicherstelle, dass mer numm grad ei einzelni Aaregig gliichzitig im System hät. Do drfür platziert mer ä Kwantepunkt in ere Mikrokavität (Abb. 1). Ä Quantepunkt hät diskreti Energieniveaus. Ä Aaregig vum Grundzuestand in än aagregte Zuestand erzüügt äs Exziton. Wenn das Exziton dann am Änd wäge dä spontane Emission wiider zerfallt, sendets äs einzelnes Photon us.

D DBRs werde ind Kavität iigfüegt zum e guet definiierti rüümlichi Mode z erzüüge und zum d Linieverbreiterig wäge de Läbensziit vum aagregte Zuestand z reduziere (Abb. 2).

Abbildig 2: De Zerfall vum ene linieverbreiterte aagregte Zuestand führt zur Emission vum ene Photon mit de Frequenz ħω. D Linieverbreiterig chunnt vu de ändliche Läbensziit vum aagregte Zuestand.

Das System cha mit em Jaynes-Cummings Modell gnööcheret werde. I dem Modell interagiert de Kwantepunkt numme mit einere einzige Mode vu de optische Kavität. Die optischi Mode hät e wohldefinierti Frequenz. Das macht d Photone ununterscheidbar, wenn ihri Polarisation mit eme Polarisationsfilter usgrichted wird. D Lösig vum Jaynes-Cummings Hamiltonian isch e Vakuum Rabi-Oszillation. E Vakuum Rabi-Oszillation vum ene Photon, wo mit eme Exziton wechselwirkt, nennt me au äs Exziton-Polariton.

Zum d Wahrschiinlichkeit vu de gliichziitige Emission vu zwei Photone z unterdrucke, muess mer sicherstelle, dass zu jedere Ziit nid meh als ei Exziton in de Kavität isch. Die diskrete Energiezueständ im Kwantepunkt erlaube numme ei Aaregig. Zuesätzlich verhinderet d Rydberg-Blockade d Aaregig vu zwei Exzitone am gliiche Ort.[6].D elektromagnetischi Wechselwirkig mit em scho existierende Exziton änderet d Energie, wo bruucht wird, um es zweits Exziton aazrege, liicht. Wenn d Energie vum Pumplaser resonant isch, chas zweite Exziton nid aagregt werde. Trotzdem bliibt ä chliini Wahrschiinlichkeit übrig, zwei Exzitone gliichzitig im Kwantepunkt z ha. Zwei Exzitone wo im ene chliine Volume iigschlosse sinn nennt me Biexzitone. Sie interagiere mitenand und ändere deswege ihri Energie liicht. Photone, wo us em Zerfall vu Biexzitone entstönd hän deswege e anderi Energie als solchi us em Zerfall vu Exzitone. Sie chönne mit eme optische Filter uusegfiltered werde.[7] D Kwantepünkt chönne elektrisch oder optisch aagregt werde[5]. Fürs optischi pumpe cha e pulste Laser benutzt werde um d Kwantepünkt aazrege. Demit mer die gröschti Wahrschiinlichkeit bechunnt, äs Exziton z erzüüge, wird de Pumplaser uf Resonanz iigschtellt.[8] Das entspricht eme -Puls uf de Bloch-Chugele. Uf die Art hän die emittierte Photone aber die gliichi Frequenz wie de Pumplaser. Mer bruucht e Polarisationsfilter um sie unterscheide z chönne.[8] Will d Photone us de Kavität zuefällig polarisiert sinn, wird d Hälfti vu ihne vu sellem Filter blockt.

Experimentelli Realisiirig[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Mer baut e Mikrokavität mit numme einem einzige Kwantepunkt in ihre. D DBRs chönne mit molekularer Schichtabschiidig (MBE) gwachse werde. Für d Spiegel werde zwei Materialie mit unterschiidliche Brächigsindizes in abwechsender Reihefolg uuftrage. Ihri Gitterkonstante sötte nooch binenander liige, u damit keini Verspannige uuftrete. Zum Beispiel eignet sich e Kombination us Aluminiumarsenid- und Galliumarsenid-Schichte.[8] Äs Material mit chliinere Bandlücke wird verwendet, um de Kwantepunkt z wachse. In de erschte atomare Lage, i dene das Mateial uuftrage wird, passt sichd Gitterkonstante dere vum DBR aa. E tensili Verspannig tritt uf. Bin ere gwüsse Dicki wird d Energie vu de Verspannig z gross und d Schicht zieht sich zämme, zum mit ihre eigene Gitterkonstante wiiterzwachse. A däm Punkt hänn sich automatisch Kwantepünkt bildet. Die zweiti Schicht vu DBRs cha jetzt uf säbere Schicht mit de Kwantepünkt uuftrage werde.

De Durchmesser vu de Süüle isch numme es paar Mikrometer. D Mikrosüüle muess als Welleleiter fungiere, damit die optischi Mode d Kavität nid verloot. Halbleiter hänn normalerwiis relativ hochi Brächigsindizes vu n≅3.[9] Ihr Uustrittskegel isch deswege chlii.Mit ere glatte Oberflächi isch än Halbleiter fascht e perfekte Welleleiter. Mit zuenehmender Rauigkeit vu de Wänd und abnehmendem Durchmesser vu de Mikrosüüle wachse d Verlüscht aber.[10]

D Ränder müen so glatt wie möglich sii um Verlüscht z minimiire. Das cha gschafft werde, idem mer d Prob mit Elektronestrahllithographie herstellt und d Süüle mit reaktivem Ione-Ätze bearbeitet.[7]

Noochwiis vu dr Emission vu einzelne Photone[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Einzelphotonequelle werde durch Antibündelig charakterisiert. Will d Photone eins nachem Andere emittiert werde, isch d Wahrschiinlichkeit drfür, zwei Photone gliichzitig z gseh, für än ideali Quelle 0. Um d Antibündelig vun ere Liechtquelle noochzwiise, müess mer die Autokorrelationsfunktion zweiter Ordnig messe. Ä Liechtquelle zeigt Antibündelig, wenn gilt .[11] Bin ere ideale Quelle gilt . Experimentell wird mit em Hanbury Brown und Twiss Effekt gmesse. Die kleinschte Wert bi kryogene Temperature für Kwantepünkt sin [8] und [12].

Ununterscheidbarkeit vu de emittierte Photone[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Für de meischde Aawendige müen d Photone us ere Einzelphotonequelle ununterscheidbar sii. Di theoretischi Lösig vum Jaynes-Cummings Hamiltonian isch ä einzelni Mode, in dere numme d Polarisation zuefällig isch. Nachdem mer d Polarisation vu de Photone uusgrichtet het, cha mer ihri Ununterscheidbarkeit messe. Do drfür benutzt mä dr Hong-Ou-Mandel Effekt. Zwei Photone vo dr Quelle werde so gleitet, dass sie gliichziitig an je einem vu de beide Iigäng vum ene 50:50 Strahlteiler aachöme. An beidne Usgäng vum Strahlteiler wird je ä Detektor platziert. Koinzidenze – also s gliichziitigi uftreffe vu je einem Photon – zwüsche de beide Detektore werde gmesse. Wenn d Photone ununterscheidbar sin, sötte keini Koinzidenze ufträte.[13] Im Experiment hett mer fascht perfekti Ununterscheidbarkeit gfunde. .[12][8]

Awendige[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Einzelphotonequelle sin vu grosser Bedütig in de Kwantekommunikationswüsseschafte. Si könne zur Erzüügig vu echte Zuefallszahle benutzt werde. [5]. Einzelni Photone zeige inhärenti Kwanteunbestimmtheit. Zuefallszahle finde zum Biispiel Awendige in Simulatione mit de Monte Carlo Methode.

Abgseh do drvo sin Einzelphotonequelle essenziell in de Kwantekryptographie. S BB84 [14] Schema isch äs bewiisbar sicheres Kwanteschlüssel-Verteiligsverfahre. Äs funktioniert mit ä re Lichtquelle, wo perfekt numme äs einzelnes Photon uff zmol ussendet. Wegem No-Cloning-Theorem [15] cha d Kommunikation nid abghört werde, ohni dass es uffallt. D Verwendig vum Kwantezuefall währet em Schriibe vum Schlüssel verhinderet alli Muschter im Schlüssel, wo zum dechiffriere vum Code bruucht werde chönnte. Zuesätzlich chönne Einzelphotonequelle zum teschte vu fundamentale Eigeschafte vu de Kwantefäldtheorii bruucht werde [1].

Lueg au[ändere | Quälltäxt bearbeite]

Einzelnochwis[ändere | Quälltäxt bearbeite]

  1. 1,0 1,1 Experimental evidence for a photon anticorrelation effect on a beam splitter: a new light on single-photon interferences. In: EPL (Europhysics Letters). 1, Nr. 4, 1986
  2. A Quantum Dot Single-Photon Turnstile Device. In: science. 290, Nr. 5500, 2000, S. 2282-2285
  3. Manipulation of the spontaneous emission dynamics of quantum dots in two-dimensional photonic crystals. In: Phys. Rev. B. 71, Nr. 24, 2005, S. 241304
  4. Single-mode solid-state single photon source based on isolated quantum dots in pillar microcavities. In: Appl. Phys. Lett.. 79, Nr. 18, 2001, S. 2865-2867
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 M. D. Eisaman: Invited Review Article: Single-photon sources and detectors. In: Review of Scientific Instruments. 82, Nr. 7, 2011-07-01, S. 071101
  6. Giant Rydberg excitons in the copper oxide Cu2O. In: Nature. 514, Nr. 7522, 2014, S. 343–347
  7. 7,0 7,1 Quantenpunkt-Mikroresonatoren als Bausteine für die Quantenkommunikation. 2015
  8. 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 On-demand single photons with high extraction efficiency and near-unity indistinguishability from a resonantly driven quantum dot in a micropillar. In: Physical review letters. 116, Nr. 2, 2016, S. 020401
  9. General relation between refractive index and energy gap in semiconductors. In: Infrared physics & technology. 35, Nr. 4, 1994, S. 609-615
  10. Quantum dot micropillars. In: Journal of Physics D: Applied Physics. 43, Nr. 3, 2010, S. 033001
  11. H Paul: Photon antibunching. In: Reviews of Modern Physics. 54, Nr. 4, 1982, S. 1061–1102
  12. 12,0 12,1 Near-optimal single-photon sources in the solid state. In: Nature Photonics. 10, Nr. 5, 2016, S. 340-345
  13. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference. In: Phys. Rev. Lett.. 59, Nr. 18, 1987, S. 2044–2046
  14. C. H. Bennett and G. Brassard. "Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing". In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, volume 175, page 8. New York, 1984. http://researcher.watson.ibm.com/researcher/files/us-bennetc/BB84highest.pdf
  15. : A Single Quantum Cannot be Cloned. In: Nature. 299, 1982, S. 802–803