Yksittäisfotoneja

Yksittäisfotoneja ovat valon kvantteja, joiden energian ja momentin tunnistaa kvanttisena yksikkönä. Jokaisen fotonin energia on hν, missä h on Planckin vakio ja ν taajuus. Yksittäisfotoneja voidaan tuottaa ja havaita erikseen, ja niillä korostuvat sekä valon hiukkas- että aalto-ominaisuudet. Niiden käyttäytymistä tutkitaan usein kvanttifysiikan kokeissa, joissa havaitaan esimerkiksi antibunching, eli fotonien ei-toivottu rinnakkaiskuorma peräkkäin.

Lähteet ja tuotanto: on-demand-yksittäisfotoneja voidaan valmistaa esimerkiksi kvanttipisteistä (quantum dots), NV-keskuksista grafiitin kaltaisissa kiteissä, tai trapattujen atomien tai -ionien järjestelyistä. Heralded-yksittäisfotoneja saadaan spontaanisen parametristuplin SPDC-prosessin avulla, jossa toisen fotonin havaitseminen kertoo, että toinen fotoni on syntynyt. Voi käyttää myös heikennettyä koherentin valon lähdettä, mutta tällöin fotonien lukumäärä noudattaa Poisson-jakaumaa eikä ole todellinen yksittäisfotoni.

Havaitseminen ja karakterisointi: yksittäisfotoneja arvioidaan fotonien tilastollisilla mittauksilla. g^(2)(0) -arvo kuvaa antibunchingia; ideaalilla yksittäisfotonen lähteellä se on nolla, ja todellisissa lähteissä arvo on alle 0,5. Indistinguishuutta mitataan usein Hong–Ou–Mandelin interferenssillä, jossa identtiset yksittäisfotoneja kohtaan voivat interferoida toistensa kanssa.

Sovellukset ja merkitys: yksittäisfotoneja käytetään kvanttisessa viestinnässä (kvanttisalaus, QKD), kvanttiluokan laskennassa (lineaarinen optinen kvanttitietokone) sekä kvanttiverkkojen rakentamisessa. Niiden kehitys kohtaa haasteita kuten korkea hyötysuhde, fotonien erottaminen, spektrinen puhtaus ja laitteen integrointi käytäntöön.

---