Источники одиночных фотонов. Обзор. Часть 1

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В обзоре рассмотрены различные способы создания однофотонных источников (ИОФ). Задача генерации одиночных фотонов может решаться разными способами, и на текущий момент среди них нет такого, который был бы существенно предпочтителен. Обширный список литературы дает возможность провести анализ перспектив развития источников одиночных фотонов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Владимир Г. Криштоп

Институт проблем технологии микроэлектроники РАН; АО «ИнфоТеКС»; Московский физико-технический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: krishtop@iptm.ru
ORCID iD: 0000-0001-6063-2657

научный сотрудник, доцент

Россия, г. Черноголовка, Моск. обл.; Москва; г. Долгопрудный, Моск. обл.

Список литературы

  1. Развитие фотоники в России и мире: публичный аналитический доклад. – М.: Сфера Битуби. 2016. 432 с. ISBN 978-5-9909093-0-4.
  2. Рябцев И. И., Юркевичюс С. П., Гриценко А. Е. Проблемы и перспективы создания квантовых систем связи. Инноватика и экспертиза. 2020; 1 (29):2733. https://doi.org/10.35264/1996-2274-2020-1-27-33
  3. Бычков С. Б., Глазов А. И., Зотов А. В., Тихомиров С. В. Методика и результаты исследования источника одиночных фотонов с помощью однофотонного фотодетектора на основе MRS-лавинного фотодиода. ВКВО-2021, стендовые доклады. https://doi.org/10.24412/2308-6920-2021-6-428-429
  4. Hanbury Brown, R.; Twiss, R. Q. Correlation between Photons in two Coherent Beams of Light. Nature. 1956; 177 (4497): 27–29. https://doi.org/10.1038/177027a0
  5. Schweickert L., Jöns K. D., Zeuner K. D., Covre da Silva S. F., Huang H., Lettner T., Reindl M., Zichi J., Trotta R., Rastelli A., Zwiller V. On-demand generation of background-free single photons from a solid-state source. Applied Physics Letters. 2018;112(9): 093106. https://doi.org/10.1063/1.5020038
  6. Paul H. Photon antibunching. Reviews of Modern Physics. 1982;54 (4): 1061–1102. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.54.1061
  7. Lo H. K., Ma X., Chen K. Decoy state quantum key distribution. Phys. Rev. Lett. 2005; 94, (23): 230504. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230504
  8. Eisaman M. D., Fan J., Migdall A., Polyakov S. V. Invited Review Article: Single-photon sources and detectors. Review of Scientific Instruments. 2011; 82 (7): 071101–071101–25. https://doi.org/10.1063/1.3610677
  9. Al-Kathiri S., Al-Khateeb W., Hafizulfika M., Wahiddin M. R., Saharudin S. Characterization of mean photon number for key distribution system using faint laser. 2008. International Conference on Computer and Communication Engineering. https://doi.org/10.1109/ICCCE.2008.4580803
  10. Молотков С. Н. О секретности волоконных систем квантовой криптографии без контроля интенсивности квазиоднофотонных когерентных состояний. Письма в ЖЭФТ. 2015; 101(8):647–643. https://doi.org/10.7868/S0370274X15080135
  11. Стандарт ETSI Group Specification QKD 011 V1.1.1 (2016-05) https://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/QKD/001_099/011/01.01.01_60/gs_QKD011v010101p.pdf.
  12. Сущев И. Атаки на системы квантового распределения ключей. 2023. Квантовые технологии информационной безопасности. https://quantum-crypto.ru. https://quantum-crypto.ru/articles/ataki-na-sistemy-kvantovogo-raspredeleniya-klyuchey.
  13. Hwang W.-Y. Quantum Key Distribution with High Loss: Toward Global Secure Communication. Phys. Rev. Lett. 20003; 91 (5): 057901. https://doi.org/10.1103/physrevlett.91.057901
  14. Lo H.-K., Ma X., Chen K. Decoy State Quantum Key Distribution. Physical Review Letters. 2005;94 (23): 230504. https://doi.org/10.1103/physrevlett.94.230504
  15. Lounis B., Orrit M. Single-photon sources. Reports on Progress in Physics. 2005;68(5):1129–1179. http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/68/5/R04
  16. Попов В. Г., Криштоп В. Г., Тарелкин C. А., Корель И. И. Комбинационное рассеяние света квазиоднофотонных импульсов в оптоволокне с накачкой. Физика и техника полупроводников. 2020; 54: 727. http://dx.doi.org/10.21883/FTP.2020.08.49631.07. http://dx.doi.org/10.1134/S1063782620080199
  17. Esfandyaropour V., Langrock C., Fеjer M. Cascaded downconversion interface to convert single-photon-level signals at 650 nm to the telecom band. Optics Letters. 2018;43: 5655–5658. https://doi.org/10.1364/OL.43.005655
  18. Hong C. K.; Ou Z. Y., Mandel L. Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference. Phys. Rev. Lett. 1987;59 (18): 2044–2046. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.59.2044
  19. Somaschi N., Giesz V., De Santis L., Loredo J. C., Almeida M. P., Hornecker G., Portalupi S. L., Grange T., Anton C., Demory J. Near-optimal single-photon sources in the solid state. Nature Photonics. 2016; 10 (5): 340–345. https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.23
  20. X. Ding, Y. He, Z.-C. Duan, N. Gregersen, M.-C. Chen, S. Unsleber, S. Maier, C. Schneider, M. Kamp, S. Höfling, C.-Y. Lu, J.-W. Pan. On-demand single photons with high extraction efficiency and near-unity indistinguishability from a resonantly driven quantum dot in a micropillar. Phys. Rev. Lett. 2016; 116 (2): 020401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.010401
  21. Guilbert H. E., Gauthier D. J. Enhancing Heralding Efficiency and Biphoton Rate in Type-I Spontaneous Parametric Down-Conversion. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2015;21(3):215–224., 6400610. http://dx.doi.org/10.1109/JSTQE.2014.2375161
  22. Jabir M. V., Samanta G. K. Robust, high brightness, degenerate entangled photon source at room temperature. Scientific Reports 7. 2017; 12613. https://doi.org/10.1038/s41598-017-12709-5
  23. Shukhin A., Latypov I. Z., Shkalikov A. V., Kalachev A. A. Simulating Single-Photon Sources Based on Backward-Wave Spontaneous Parametric Down-Conversion in a Periodically Poled KTP Waveguide. EPJ Web of Conferences. 2015;103: 10009. https://doi.org/10.1051/epjconf/201510310009
  24. Massaro M., Meyer-Scott E., Montaut N., Herrmann H., Silberhorn C. Improving SPDC single-photon sources via extended heralding and feed-forward control. New Journal of Physics. 2019; 21:053038. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/ab1ec3
  25. Goldschmidt E. A., Eisaman M. D., Fan J., Polyakov S. V., Migdall A. Spectrally bright and broad fiber-based heralded single-photon source. Phys. Rev. A. 2008;78: 013844. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.78.013844
  26. Rottwitt K., Koefoed J. G., Christensen E. N. Photon-Pair Sources Based on Intermodal Four-Wave Mixing in Few-Mode Fibers. Fibers. 2018;6. https://doi.org/10.3390/fib6020032
  27. Wu E., Rabeau J. R., Roger G., Treussart F., Zeng H., Grangier P., Prawer S., Roch J.-F. Room temperature triggered single-photon source in the near infrared. New Journal of Physics. 2007; 9(12):434. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/9/12/434
  28. Alleaume R., Treussart F., Messin G., Dumeige Y., Roch J.-F., Beveratos A., Brouri-Tualle R., Poizat J.-P., Grangier P. Experimental open-air quantum key distribution with a single-photon source. New Journal of Physics. 2004;6:92. https://doi.org/10.1088/1367-2630/6/1/092
  29. Kako S., Santori C., Hoshino K., Gotzinger S., Yamamato Y., Arakawa Y. A gallium nitride single-photon source operating at 200K. Nature Materials. 2006;5:887. https://doi.org/10.1038/nmat1763
  30. Strauf S., Stoltz N. G., Rakher M. T., Coldren L. A., Petroff P. M., Bouwmeester D. High-frequency single-photon source with polarization control. Nature Photonics. 2007;1:704–708. https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.227
  31. Huber M., Reindl S. F., Silva C. D., Schimpf C., Martín-Sánchez J., Huang H., Piredda G., Edlinger J., Rastelli A., Trotta R. Strain-Tunable GaAs Quantum Dot: A Nearly Dephasing-Free Source of Entangled Photon Pairs on Demand. Phys. Rev. Lett. 2018;121: 033902. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.033902
  32. Hennrich M., Legero T., Kuhn A., Rempe G. Photon statistics of a non-stationary periodically driven single-photon source. New Journal of Physics. 2004; 6: 86. https://doi.org/10.1088/1367-2630/6/1/086
  33. Higginbottom D. B., Slodička L., Araneda G., Lachman L., Filip R., Hennrich M. Blatt R. Pure single photons from a trapped atom source. New Journal of Physics. 2016;18(9):093038. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/18/9/093038
  34. Maurer C., Becher C., Russo C., Eschner J., Blatt R. A single-photon source based on a single Ca+ ion. New Journal of Physics. 2004;6(1):94. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/6/1/094
  35. Steiner M., Hartschuh A., Korlacki R., Meixner A. J. Highly efficient, tunable single photon source based on single molecules. Appl. Phys. Lett. 2007;90:183122. https://doi.org/10.1063/1.2736294
  36. Chen S., Chen Y.-A., Strassel T., Yuan Z.-S., Zhao B., Schmiedmayer, Pan J.-W. Deterministic and Storable Single-Photon Source Based on a Quantum Memory. J.Phys. Rev. Lett. 2006;97:173004. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.173004
  37. Panyukov I. V., Shishkov V. Yu., Andrianov E. S. Heralded single-photon source based on an ensemble of Raman-active molecules. J. Opt. Soc. Am. B. 2022;39: 2138–2148. https://doi.org/10.1364/JOSAB.457400
  38. Signorini S., Pavesi L. On-chip heralded single photon sources. AVS Quantum Sci. 2020;2 (4): 041701. https:// doi.org/10.1116/5.0018594
  39. Kaneda F., Garay-Palmett K., U’Ren A. B., Kwiat P. G. Heralded single-photon source utilizing highly nondegenerate, spectrally factorable spontaneous parametric downconversion. Opt. Express. 2016;24: 10733–10747. https://doi.org/10.1364/OE.24.010733
  40. Schiavon M., Vallone G., Ticozzi F., Villoresi P. Heralded single-photon sources for QKD applications. Phys. Rev. A. 2016;93:012331. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.93.012331
  41. Миронов Ю. Б., Казанцев С. Ю., Шаховой Р. А., Колесников О. В., Машковцева Л. С., Зайцев А. И., Коробов А. В. Анализ перспектив развития источников одиночных фотонов в системах квантового распределения ключей. Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2021;13(6):22–33. https://doi.org/10.36724/2409-5419-2021-13-6-22-33
  42. Сirac J., Zoller P. Quantum Computations with Cold Trapped Ions. Phys. Rev. Lett. 1995;74: 4091. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.4091
  43. Leibfried D., Blatt R., Monroe C., Wineland D. Quantum dynamics of single trapped ions. Rev. Mod. Phys. 2003;75 (1): 281–324. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.75.281
  44. Stick D., Hensinger W., Olmschenk S., Madsen M. J., Schwab K., Monroe C. Ion trap in a semiconductor chip. Nature Physics. 2006;2: 36–39. https://doi.org/10.1038/nphys171
  45. Pogorelov I., Feldker T., Marciniak Ch.D., Postler L., Jacob G., Krieglsteiner O., Podlesnic V., Meth M., Negnevitsky V., Stadler M., Höfer B., Wächter C., Lakhmanskiy K., Blatt R., Schindler P., Monz T. Compact Ion-Trap Quantum Computing Demonstrator. PRX Quantum. 2021;2: 020343. https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.020343
  46. Blatt R., Roos C. F. Quantum simulations with trapped ions. Nature Physics. 2012;8(4): 277–284. https://doi.org/10.1038/ nphys2252
  47. Tian Y., Higgs J., Li A., Barney B., Austin D. E. How far can ion trap miniaturization go? Parameter scaling and space-charge limits for very small cylindrical ion traps. J. Mass Spectrom. 2014; 49: 233–240. https://doi.org/10.1002/jms.3268
  48. Maurer C., Becher C., Russo C., Eschner J., Blatt R. A single-photon source based on a single Ca+ ion. New J. Phys. 2004;6: 94. http://dx.doi.org/10.1088/ 1367-2630/6/1/094
  49. Keller M., Lange B., Hayasaka K., Lange W., Walther H. Continuous generation of single photons with controlled waveform in an ion-trap cavity system. Nature. 2004;431: 1075. http://dx.doi.org/10.1038/nature02961
  50. Barros H. G., Stute A., Northup T. E., Russo C., Schmidt P. O., Blatt R. Deterministic single-photon source from a single ion. New J. Phys. 2009;11: 103004. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/11/10/103004
  51. Minnegaliev M. M., Dyakonov I. V., Gerasimov K. I., Kalinkin A. A., Kulik S. P., Moiseev S. A., Saygin M.Yu., Urmancheev R. V. Observation and investigation of narrow optical transitions of 167Er3+ ions in femtosecond laser printed waveguides in 7LiYF4 crystal. Laser Physics Letters. 2018; 15(4): 045207. https://doi.org/10.1088/1612-202X/aaa6a6
  52. Kielpinski D., Monroe C., Wineland D. Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer. Nature (London). 2002;417:709. https://www.nature.com/articles/nature00784
  53. Riebe M., Monz T., Kim K., Villar A. S., Schindler P., Chwalla M., Hennrich M., Blatt R. Deterministic entanglement swapping with an ion-trap quantum computer. Nature Physics. 2008; 4: 839. https://doi.org/10.1038/nphys1107
  54. Home J. P., Hanneke D., Jost J. D., Amini J. M., Leibfried D., Wineland D. J. Complete Methods Set for Scalable Ion Trap Quantum Information Processing. Science. 2009;325: 1227. https://doi.org/10.1126/science.1177077
  55. Hennrich M., Legero T., Kuhn A., Rempe G. Photon statistics of a non-stationary periodically driven single-photon source. New J. Phys. 2004;6:86. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/6/1/086
  56. Hijlkema M., Weber B., Specht H. P., Webster S. C., Kuhn A., Rempe G. A single-photon server with just one atom. Nature Physics. 2007;3: 253. http://dx.doi.org/10.1038/nphys569
  57. Kuhn A., Hennrich M., Rempe G. Deterministic Single-Photon Source for Distributed Quantum Networking. Phys. Rev. Lett. 2002;89:067901. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.067901
  58. Wilk T., Webster S. C., Specht H. P., Rempe G., Kuhn A. Polarization-Controlled Single Photons. Phys. Rev. Lett. 2007;98: 063601. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.063601
  59. Dayan B., Parkins A. S., Aoki T., Ostby E. P., Vahala K. J., Kimble H. J. A Photon Turnstile Dynamically Regulated by One Atom. Science. 2008;319:1062. http://dx.doi.org/10.1126/science.1152261
  60. Aoki T., Parkins A. S., Alton D. J., Regal C. A., Dayan B., Ostby E., Vahala K. J., Kimble H. J. Efficient Routing of Single Photons by One Atom and a Microtoroidal Cavity. Phys. Rev. Lett. 2009;102: 083601. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.083601
  61. Латышев С. Нобелевские премии 1997 года. Очень холодные атомы. Наука и жизнь. 1998(1). https://www.nkj.ru/archive/articles/10172.
  62. Grajcar M., Van der Ploeg S. H. W., Izmalkov A., Il’ichev E., Meyer H.-G., Fedorov A., Shnirman A., Schön G. Sisyphus cooling and amplification by a superconducting qubit. Nature Physics. 2008;4(8):612–616. https://doi.org/10.1038/nphys1019
  63. Бобров И. Б., Самойленко С. Р., Страупе С. С., Кулик С. П. Динамические голографические ловушки для одиночных нейтральных атомов. Программа Всероссийской научной конференции «Физика ультрахолодных атомов – 2018». 17–19 декабря 2018 года, Академгородок. Новосибирск, проспект Лаврентьева 13. Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. Сайт конференции: www.isp.nsc.ru/quantum18/
  64. Aljunid S. A., Chng B., Paesold M., Maslennikov G., Kurtsiefer C. Interaction of light with a single atom in the strong focusing regime. Journal of Modern Optics. 2011;58: 299–305. https://doi.org/10.1080/09500340.2010.522780

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема Хэнбери Брауна и Твисса для подтверждения однофотонности источника [4]

Скачать (113KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Функция парных фотонных корреляций g(2)(τ) для истинно однофотонного источника, работающего в импульсном режиме. Расстояние между пиками соответствует периоду следования импульсов. Провал посередине показывает, что при каждом импульсе срабатывает только один детектор

Скачать (155KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Когерентный источник (ослабленный лазер), однофотонный источник, и источник с группировкой фотонов (Delmic Blog)

Скачать (245KB)
Метаданные
5. Рис. 4. У лазера, ослабленного до интенсивности 0,2 фотона в импульсе, большая часть импульсов оказываются «пустыми», и в среднем только примерно пятая часть всех импульсов содержит фотон. Но при этом неизбежно есть известная доля импульсов, которые содержат более одного фотона, и избавиться от них невозможно

Скачать (217KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Ионные ловушки [47]: Квадрупольная ионная ловушка; Линейная ионная ловушка; Тороидальная ионная ловушка; Цилиндрическая ионная ловушка; Прямолинейная ионная ловушка Rectilinear; Тороидальная ионная ловушка с цилиндрическими электродами

Скачать (139KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Одиночный атом в резонаторе (nature.com) и одиночные атомы в силовых ловушках (Max Planck Institute, www.mpq.mpg.de)

Скачать (23MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Эксперименты с атомом рубидия в резонаторе [64]

Скачать (169KB)
Метаданные

© Криштоп В.Г., 2024