Mehrphotonenanteil

Der Begriff Mehrphotonenanteil beschreibt den Anteil der Emissionen eines Lichtquells, die mehr als ein Photon enthalten. Konkret bezeichnet man damit die Wahrscheinlichkeit von Mehrphotonen-Ereignissen pro Anregungszyklus oder Puls. Formal lässt sich der Mehrphotonenanteil als 1 minus die Summe der Wahrscheinlichkeiten für Null- und Eins-Photonen-Ereignisse schreiben: Mehrphotonenanteil = 1 − P(0) − P(1).

Bedeutung: Er dient als Maß für die Qualität einer Quelle einzelner Photonen. Je kleiner der Mehrphotonenanteil, desto stärker ist die antibunching-Charakteristik und desto besser eignet sich die Quelle für Anwendungen in der Quantenkommunikation, im Quantencomputing und in hochpräzisen Messungen. Typische physikalische Systeme sind Quantenpunkte (Quantum Dots), Farbstoffe, NV-Zentren in Diamant sowie ionenbasierte Systeme.

Messung und Zusammenhang mit g^(2)(0): Der Mehrphotonenanteil lässt sich experimentell durch Messung der zweiten Ordnung der Korrelationsfunktion g^(2)(τ) am τ = 0 schätzen, oft in einem Hanbury-Brown–Twiss-Setup. Für ideale Ein-Photonenquellen ist g^(2)(0) = 0; Werte nahe Null zeigen eine geringe Mehrphotonenanteil. Der relationale Zusammenhang mit P(n≥2) erfordert Kenntnis der Photonenzahlverteilung; grob gilt P(n≥2) = 1 − P(0) − P(1).

Reduktion: Maßnahmen zur Verringerung des Mehrphotonenanteils umfassen optimierte Anregung (z. B. resonante oder pulsgesteuerte excitation), Purcell-Erhöhung der Emissionsrate, spektrale Filterung und zeitliches Gateing sowie eine bessere Kopplung der Emitteure an Leitungen. Diese Ansätze erhöhen die Single-Photon-Qualität und senken nebeneffektiv die Mehrphotonenanteile.