Einzelfotonenzustand

Der Einzelfotonenzustand, oft als Fock-Zustand |1⟩ bezeichnet, ist in der Quantenoptik der Zustand eines elektromagnetischen Felds, bei dem die Photonenzahl in einem definierten Modus exakt 1 beträgt. Formal gilt: a|1⟩ = |0⟩, a†|0⟩ = |1⟩, wobei a und a† die Annihilations- bzw. Erzeugungsoperatoren für den Modus sind. Der Zustand ist ein Eigenzustand des Anzahloperators N = a†a mit N|1⟩ = 1|1⟩. Im Fock-Basis-Darstellung ist er orthogonal zu |0⟩, |2⟩ usw. Im Gegensatz zu einem Kohärenzzustand hat der Einzelfotonenzustand eine gut definierte Photonenzahl, aber keinen stabilen Phasenbezug; Phaseninformation ist im Zustand nicht festgelegt.

Der Zustand kann rein oder als gemischter Zustand auftreten, z. B. ρ = |1⟩⟨1| oder realerweise mit Verlusten und Mehrphotonenanteilen als Mischung. In der Praxis wird er oft als einzelnes Photon aus einem modalen Quellensystem erzeugt, etwa durch heralded Single Photons aus sponta- ner Parametrischer Abzweigung (SPDC) oder durch deterministische Quellen wie Quantendot- oder Farbstoffquellen. Wichtig ist die Modenkontrolle in Temporal- und Spektralbereich, um hohe Indistinguishabilität zu gewährleisten.

Messung und Charakterisierung erfolgen durch g^(2)(0)–Messungen, Photonenzähloperatoren, Detektoren wie SPADs oder SNSPDs, sowie Homodyn-Tomographie zur Rekonstruktion der Wigner-Funktion. Das ideale |1⟩-Zustand besitzt eine Wigner-Funktion mit Negativität und g^(2)(0) = 0 (Antibunching). In der Praxis treten Verluste, Mehrphotonenanteile und Moduspurität als Einschränkungen auf.

Anwendungen liegen in der Quantenkommunikation, lineare-optische Quantenberechnungen und Boson-Sampling-Experimenten, wo ein zuverlässiger, indistinguider Einzelphotonenzustand von zentraler Bedeutung ist.