Pojedynczy foton : źródła i detektory

• Autorzy: Romaniuk Ryszard

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2022.7.5

Warianty tytułu

EN

Single photon : sources and detectors

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Pojedynczy foton jest izolowanym elementarnym pojedynczym pobudzeniem normalnego rodzaju (modu) pola elektromagnetycznego. Drgania swobodne wewnątrz ograniczonej w pewnym zakresie wymiarowo i czasowo paczki falowej tworzą falę stojącą. W optyce kwantowej stany pojedynczego fotonu są superpozycją monochromatycznych modów promieniowania EM. Foton jako elementarny stan kwantowy fali EM emitowany probabilistycznie przez źródło podlega statystyce zależnej od tego źródła. Pojedynczy foton emitowany przez idealne źródło podlega statystyce sub-Possonowskiej, czyli jest w warunkach idealnych emitowany przez źródło o takim rozkładzie liczby fotonów którego wartość średnia wynosi jeden a wariancja zero. Źródła idealne nie istnieją, a więc emisja i detekcja pojedynczego fotonu jest prawie zawsze probabilistyczna. W przypadku emisji pojedynczego fotonu z izolowanego dwupoziomowego układu kwantowego, np. atomu mówimy o emisji deterministycznej. Emitowany pojedynczy foton niesie sygnatury swojego źródła w postaci różnic spektralnych, oraz modu fali EM, czystości/jakości, kształtu obwiedni paczki falowej. Obwiednia falowa pojedynczego fotonu jest rozciągła w przestrzeni i zmienna, charakterystyczna dla niego. Mówimy, że foton jest lub rezyduje w rodzaju (modzie) pola EM - przestrzennym, fali ciągłej, impulsowym trybie czasowym. Moment kwantowej detekcji fotonu może być zależny od detektora, czyli rodzaju kwantowego absorbera w detektorze, który w określony sposób zareaguje na mod fali EM fotonu. Pojedyncze izolowane fotony, jako nośniki informacji kwantowej, w układzie sygnałowym pojedynczym, ale też szeregowym i równoległym, mierzone pod względem nierozróżnialności metodą HOM, oraz ich w miarę deterministyczne (lub na żądanie) źródła i detektory są obecnie niezastąpionymi komponentami rozwijających się informacyjnych technik kwantowych ITK. Te techniki obejmują metrologię kwantową, komputing kwantowy, obrazowanie kwantowe, komunikację kwantową, generację przypadkowości kwantowej, niskoszumną i niskosygnałową detekcję sygnałów.

EN

A single photon is an isolated elementary single excitation of a normal type (mode) of an electromagnetic field. The free vibrations inside the wave packet, which is limited to a certain extent in terms of dimensions and time, create a standing wave. In quantum optics, single photon states are a superposition of monochromatic EM radiation modes. A photon as an elementary quantum state of an EM wave emitted probabilistically by a source is subject to statistics depending on this source. A single photon emitted by an ideal source is subject to sub-Poissonian statistics, i.e. it is ideally emitted by a source with such a distribution of the number of photons whose mean value is one and the variance is zero. Ideal sources do not exist, so the emission and detection of a single photon is almost always probabilistic. In the case of a single photon emission from an isolated two-level quantum system, e.g. an atom, we speak of a deterministic emission. The emitted single photon carries the signatures of its source in the form of spectral differences, and the EM wave mode, purity / quality, shape of the wave packet envelope, or waveform . The waveform of a single photon is extended in space and is a variable characteristic of it. We say that the photon is or resides in the EM field mode - spatial, continuous wave, pulsed time mode. The moment of quantum detection of a photon may depend on the detector, i.e. the type of quantum absorber in the detector, which will react in a specific way to the photon EM wave mode. Single isolated photons as carriers of quantum information in a single, serial and parallel signal system, measured in terms of indistinguishability by the HOM method, and their relatively deterministic (or on demand) sources and detectors are nowadays indispensable components of the developing IQT information quantum techniques. These techniques include quantum metrology, quantum computing, quantum imaging, quantum communication, quantum randomness generation, quantum low noise and low signal detection.

Słowa kluczowe

PL

pojedyncze fotony; źródła pojedynczych fotonów; detektor pojedynczych fotonów; emisja pojedynczego fotonu; absorpcja pojedynczego fotonu; zastosowania pojedynczego fotonu w ITK; informacyjne techniki kwantowe

EN

single photons; detectors single photons; single-photons sources; generation of single photon; absorption of single photon; applications of single photons in IQRT; information quantum technologies

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 63, Nr 7
• Strony: 27--35
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz.

Twórcy

autor

Romaniuk Ryszard

• Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska, Warszawa

Bibliografia

• [1] L.B. Okun, 2008, Photon: history, mass, charge, arXiv:0602036
• [2] A. Aspect, 2020, Hanbury Brown and Twiss, Hong Ou and Mandel effects and other landmarks in quantum optics: from photons to atoms, arXiv:2005.08239
• [3] C.K. Hong, Z.Y. Ou, L. Mandel, 1987, Measurement of subpico-second time intervals between two photons by interference, PRL 59, 2044-2046
• [4] Ch. Couteau, 2019, Spontaneous parametric down-conversion, arXiv:1809.00127
• [5] B. Darquie, et al., 2006, Controlled single-photon emission from a single trapped two-level atom, arXiv:0610087
• [6] P. Hamilton, et al., 2014, Atom interferometry in an optical cavity, arXiv:1409.7130
• [7] P.A. Moreau, et al., 2019, Imaging with quantum states of light, arXiv:1908.03034
• [8] Correlated photon-pair source, 2022, thorlabs.com
• [9] W.A. Nogueira, et al., 2001, Experimental observation of spatial antibunching of photons, arXiv:0206039
• [10] V. Leong, et al., 2016, Time-resolved scattering of a single photon by a single atom, arXiv:1604.0802
• [11] A.I. Lvovsky, et al., 2001, Quantum state reconstruction of the single-photon Fock state, PRL 87, 050402
• [12] M. Oxborrow. et al., 2005, Single-photon sources, Conptemp. Phys. 46, 173-206
• [13] R.H. Hadfield, 2009, Single-photon detectors for optical quantum information applications, Nature Photonics 3, 696-705
• [14] E. Meyer-Scott, et al., 2020, Single-photon sources: Approaching the ideal through multiplexing, Rev. Sci. Instrum. 91, 041101, doi:10.1063/5.0003320
• [15] D. Plankensteiner, et al., 2019, Enhanced collective Pur-cell effect of coupled quantum emitter systems, PRA 99, 043843
• [16] V. Giovannetti, et al., 2011, Advances in quantum metrology, Nature Photonics, 5, 222
• [17] C.J. Chunnilall, et al., 2014, Metrology of single-photon sources and detectors: a review, Opt. Eng. 53, 081910
• [18] T. Ono, et al., 2013, An entanglement-enhanced microscope, Nature Communications, 4, 2426
• [19] L.A. Lugiato, et al., 2002, Quantum imaging, J. Opt. B 4, S176
• [20] M. Herrero-Collantes, et al., 2017, Quantum random number generators, Rev. Mod. Phys. 89, 015004
• [21] L. Caspani, et al., 2017, Integrated sources of photon quantum states based on nonlinear optics, Light: Sci. Appl. 6, e17100
• [22] A. Christ, et al., 2012, Limits on the deterministic creation of pure single-photon states using parametric down-conversion, Phys. Rev. A., 85, 023829
• [23] J. Mosley, et al., 2008, Heralded generation of ultrafast single photons in pure quantum states, PRL 100, 133601
• [24] P. Sennellart, et al., 2017, High-performance semiconductor quantum-dot single-photon sources, Nat. Nanotechnol. 12, 1026
• [25] R.J. Glauber, 1963, Photon correlations, PRL 10, 3(84-86)
• [26] Hamamatsu single-pixel photon counting modules SPAD, 2022, Hamamatsu.com
• [27] Ch.M. Natarajan, et al., 2012, Superconducting nanowire single-photon detectors: physics and applications, arXiv: 1204.5560
• [28] M. Yokoyama, et al., 2006, Development of Multi-Pixel Photon Counters, SNIC Symp., Stanford CA
• [29] Ekosystem Sinara/ARTIQ dla technologii kwantowych, 2022, creotech.com
• [30] SNSPD, 2022, singlequantum.com
• [31] The TCSPC technique – principlea and applications, 2022, becker-hickl.com
• [32] Single-photon source, 2022, sparrowquantum.com
• [33] M.D. Eisman, et al., 2011, Single-photon sources and detectors, Rev. Sci. Instrum., 82, 071101
• [34] M. Hollenbach, et al., 2020, Engineering telecom single-photon emitters in silicon for scalable quantum photonics, Optics Ex-press 28, 18, 26111.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).