EinzelPhotonen

EinzelPhotonen bezeichnet Photonen, die aus einer Lichtquelle stammen, deren Emission idealerweise pro Aktivierung nur ein Photon umfasst. In der Quantenoptik kennzeichnen sie sub-Poissonsche Photonenzustände; charakterisiert wird dies oft durch die zweiteordnungs-Korrelationsfunktion g^(2)(0), die bei echten Ein-Photonenquellen nahe null liegt. Ein ideales Ein-Photonenquelle emittiert demnach kein zweites Photon im selben Emissionsereignis.

Erzeugung: Es gibt deterministische Ein-Photonenquellen wie einzelne Atome oder Ionen, Quantenpunkte in Halbleitern oder Farbzentren in Diamant, die in Kavity-Quanten-Elektrodynamik in eine bestimmte Modusart angeregt werden. Alternativ ermöglichen heralded Quellen aus Spontaner Parametrischer Down-Conversion (SPDC) gepaarte Photonen, deren Kopplungserkennung das Vorhandensein eines einzelnen Photons garantiert. Pulsierte Anregung senkt die Wahrscheinlichkeit Mehrfachemissionen und erhöht die zeitliche Stabilität der Quelle.

Charakterisierung: Die g^(2)(τ)-Messung, oft in einem Hanbury-Brown-Twiss-Setup durchgeführt, bestimmt die zeitliche Korrelation und liefert g^(2)(0). Für Antibunching gilt g^(2)(0) < 1, idealerweise g^(2)(0) = 0. Die Indistinguishbarkeit zweier emittierter Photonen wird häufig durch Hong-Ou-Mandel-Interferenz geprüft. Wichtige Kennzahlen neben der Reinheit sind Ausbeute (brightness) und Indistinguishbarkeit, die oft in Balance gehalten werden.

Anwendungen: EinzelPhotonen finden Anwendung in der Quantenkryptographie (QKD), in der Quantenkommunikation, in linear-optischen Quantencomputern und in Boson-Sampling-Experimenten. Fortschritte zielen auf höhere Effizienz, geringere Mehrfachemissionen und bessere Indistinguishbarkeit der Photonen.

Historischer Kontext: Bereits in früheren Jahrzehnten wurde Antibunching experimentell nachgewiesen; praktische Ein-Photonenquellen wurden in den 1980er/1990er-Jahren mit einzelnen Atomen, Ionen und später Quantenpunkten etabliert. Gegenwärtig existieren vielfältige Quelltypen mit zunehmender Leistungsfähigkeit und kommerzieller Verfügbarkeit.