EinzelphotonenEmissionsComputertomografie

EinzelPhotonen sind Quanten der elektromagnetischen Strahlung, die als einzelne Lichtteilchen auftreten. In der Quantenoptik hat ein Photon die Energie E = hν und den Impuls p = hν/c. Ein idealer EinzelPhotonenzustand entspricht einem Fock-Zustand mit genau einem Photon und enthält keinen Mehrphotonenanteil. In realen Quellen nähern sich Photonen diesem Zustand durch Emission aus Quantensystemen; die Emission ist oft stochastisch, und Photonen können nacheinander oder zeitlich gebündelt auftreten, abhängig von der Quelle.

Typische Quellen umfassen isolierte Atome oder Ionen, Quantenpunkte in Halbleitern, optische Farbstoffe und NV-Zentren in Diamant. Eine ideale Quelle besitzt g^(2)(0) = 0, was bedeutet, dass Zwei-Photonen-Ereignisse zum gleichen Zeitpunkt ausgeschlossen sind. In der Praxis liegt g^(2)(0) oft unter 0,1 oder 0,01, je nach Typ und Betriebsbedingungen, was eine gute Annäherung an einen echten Einzelfotonenzustand erlaubt.

Die Detektion einzelner Photonen erfolgt mit spezialisierten Detektoren wie Avalanche-Photodioden, supraleitenden Nanodrahtdetektoren (SNSPDs) oder Transition-Edge-Sensoren. Zentrale Kenngrößen sind Effizienz, Dunkelzählrate und zeitliche Auflösung. Die Photonenzählstatistik wird häufig im Hanbury-Brown-Twiss-Setup gemessen, um die Autokorrelationsfunktion g^(2)(τ) zu bestimmen.

Anwendungen finden sich in der Quantenkommunikation (quantensichere Schlüsselverteilung), der Quanteninformationsverarbeitung mit Photonen, der Quantenmetrologie und hochauflösenden Messverfahren. Herausforderungen bleiben die Indistinguishbarkeit der Photonen, Verluste in Erzeugung und Übertragung sowie die Integration in kompakte, skalierbare Systeme.