Источники одиночных фотонов. Обзор Часть 4

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

В данном обзоре рассматриваются различные способы создания однофотонных источников (ИОФ). Ранее в первой части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(5): 376–396) обсуждались требования к однофотонным источникам и критерии их характеризации, описывались источники одиночных фотонов на основе одиночных ионов и на основе одиночных атомов. Во второй части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(8): 610–620) были рассмотрены ИОФ на квантовых точках и на центрах окраски в кристаллах. В третьей части (Photonics Russia. 2025; 19(1): 28–38) рассмотрены однофотонные источники на углеродных нанотрубках и дефектах в них (инженерия дефектов в нанотрубках), на нанокристаллах и слоистых нанокристаллах. В заключительной части рассмотрены однофотонные источники на коллективных состояниях в ансамблевых системах, на одиночных молекулах и ионах металлов в полимерной матрице, а также источники на нелинейных кристаллах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Владимир Григорьевич Криштоп

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

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

к.ф.-м.н.

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

Список литературы

  1. М. К. Есеев, И. Н. Мешков. Ловушки для накопления заряженных частиц и античастиц в прецизионных экспериментах. Успехи физических наук, 2016, Т. 186, № 3, cc. 321–335. https://doi.org/10.3367/UFNr.0186.201603f.0321 M. K. Eseev, I. N. Meshkov. Traps for storing charged particles and antiparticles in high-precision experiments, Physics-Uspekhi, 2016, vol. 59, no. 3, pp. 304–317. https://doi.org/10.3367/UFNe.0186.201603f.0321
  2. F. G. Major, V. N. Gheorghe, G. Werth. Charged Particle Traps: Physics and Techniques of Charged Particle Field Confinement. Springer-Verlag Berlin, 2005. https://doi.org/10.1007/b137836
  3. G. Werth, V. N. Gheorghe, F. G. Major. Charged Particle Traps II: Applications. Berlin: Springer, 2009. https://doi.org/10.1007/978-3-540-92261-2
  4. C. W. Chou, S. V. Polyakov, A. Kuzmich, H. J. Kimble. Single-Photon Generation from Stored Excitation in an Atomic Ensemble». Phys. Rev. Lett., 2004, 92, 213601. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.213601
  5. D. N. Matsukevich, T. Chaneliere, S. D. Jenkins, S.-Y. Lan, T. A. B. Kennedy, A. Kuzmich. Deterministic Single Photons via Conditional Quantum Evolution». Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 013601. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.013601
  6. C. H. van der Wal, M. D. Eisaman, A. Andre, R. L. Walsworth, D. F. Philips, A. S. Zibrov, M. D. Lukin. Atomic Memory for Correlated Photon States. Science, 2003, 301, 196. http://dx.doi.org/10.1126/science.1085946
  7. A. Kuzmich, W. P. Bowen, A. D. Boozer, A. Boca, C. W. Chou, L.-M. Duan, and H. J. Kimble. Generation of nonclassical photon pairs for scalable quantum communication with atomic ensembles». Nature, 2003, 423, 731. http://dx.doi.org/10.1038/nature01714
  8. T. Bienaimé, N. Piovella, R. Kaiser. Controlled Dicke Subradiance from a Large Cloud of Two-Level Systems. Phys. Rev. Lett., 2012, 108, 123602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.123602
  9. B. Jing. Interaction between Single Photons and Atomic Ensembles. In: Quantum Network with Multiple Cold Atomic Ensembles. Springer Theses. Springer, Singapore 2022. https://doi.org/10.1007/978-981-19-0328-1_2
  10. R. H. Dicke. Coherence in Spontaneous Radiation Processes, Phys. Rev., 1954, 93, 99. https://doi.org/10.1103/PhysRev.93.99
  11. M. Gross, S. Haroche. Superradiance: An essay on the theory of collective spontaneous emission. Physics Reports, 1982, 93(5), 301–396. https://doi.org/10.1016/0370-1573(82)90102-8
  12. T. Bienaimé, N. Piovella, R. Kaiser. Controlled Dicke Subradiance from a Large Cloud of Two-Level Systems. Phys. Rev. Lett., 2012, 108(12). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.123602
  13. M. O. Scully, A. A. Svidzinsky. The Super of Superradiance, Science, 2009, 325, 1510. https://doi.org/10.1126/science.1176695
  14. M. D. Eisaman, L. Childress, A. André, F. Massou, A. S. Zibrov, and M. D. Lukin. Shaping quantum pulses of light via coherent atomic memory. Phys. Rev. Lett., 2004, vol.93, no.23, 233602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.233602
  15. R. Zhao, Y. O. Dudin, S. D. Jenkins, C. J. Campbell, D. N. Matsukevich, T. A. B. Kennedy, A. Kuzmich. Long-lived quantum memory, Nature Physics, 2009, 5, 100. https://doi.org/10.1038/nphys1152
  16. B. Zhao, Y.-A. Chen, X.-H. Bao, T. Strassel, C.-S. Chuu, X.-M. Jin, J. Schmiedmayer, Z.-S. Yuan, S. Chen, and J.-W. Pan. A millisecond quantum memory for scalable quantum networks, Nature Physics, 2009, 5, 95. https://doi.org/10.1038/nphys1153
  17. M. Parniak, M. Dąbrowski, M. Mazelanik, A. Leszczyński, M. Lipka, W. Wasilewski. Wavevector multiplexed atomic quantum memory via spatially-resolved single-photon detection». Nature communications, 2017, vol. 8, no. 1, p. 2140. https://doi.org/10.1038/s41467–017–02366–7
  18. S. Chen, Y.-A. Chen, T. Strassel, Z.-S. Yuan, B. Zhao, J. Schmiedmayer, J.-W. Pan. Deterministic and Storable Single-Photon Source Based on a Quantum Memory. Phys. Rev. Lett. 2006, vol. 97, no. 17, p. 173004. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.173004
  19. N. Sangouard, C. Simon, H. de Riedmatten, N. Gisin. Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics. Rev. Mod. Phys. 2011, vol. 83, no. 1, pp. 33–80. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.83.33
  20. M. Razavi, J. Amirloo, A. H. Majedi. Quantum Key Distribution over Atomic-Ensemble Quantum Repeaters. In: Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (CD) (Optica Publishing Group, 2010), paper OWC2. https://doi.org/10.1364/OFC.2010.OWC2
  21. T. Li, F. G. Deng. Heralded high-efficiency quantum repeater with atomic ensembles assisted by faithful single-photon transmission. Scientific Reports, 2015, 5, 15610. https://doi.org/10.1038/srep15610
  22. M. Scheibner, T. Schmidt, L. Worschech, A. Forchel, G. Bacher, T. Passow, D. Hommel Superradiance of quantum dots. Nature Physics, 2007, 3 (2), 106–110. https://doi.org/10.1038/nphys494
  23. Ахмеджанов Р. А., Гущин Л. А., Зеленский И. В., Митрофанова Т. Г., Низов В. А., Низов Н. А., Собгайда Д. А. Исследование когерентного пленения населенности и динамического эффекта Штарка в ансамблях NV-центров в алмазе при комнатной температуре в микроволновом диапазоне, Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 1. С. 65–71. http://dx.doi.org/10.21883/OS.2023.01.54539.4211-22 Akhmedzhanov R. A., Gushchin L. A., Zelensky I. V., Mitrofanova T. G., Nizov V. A., Nizov N. A., Sobgaida D. A. Study of coherent population trapping and AC Stark effect in ensembles of NV-centers in diamond at room temperature in microwave range. Optics and Spectroscopy. 2023. Т. 131. № 1. С. 62. http://dx.doi.org/10.21883/EOS.2023.01.55518.4211-22
  24. P. Huillery, J. Leibold, T. Delord, L. Nicolas, J. Achard, A. Tallaire, G. Hétet. Coherent Microwave Control of a Nuclear Spin Ensemble at Room Temperature, Phys. Rev. B, 2021, 103, L140102. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L140102
  25. K. Huang, K. K. Green, L. Huang, H. Hallen, G. Han, S. F. Lim. Room-temperature upconverted superfluorescence». Nature Photonics, 2002, 16, pp. 737–742. https://doi.org/10.1038/s41566-022-01060-5
  26. W. Guerin Super- and subradiance in dilute disordered cold atomic samples: observations and interpretations», Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, 2023, vol. 72, pp. 253–296. https://doi.org/10.1016/bs.aamop.2023.04.002
  27. R. Pennetta, M. Blaha, A. Johnson, D. Lechner, P. Schneeweiss, J. Volz, A. Rauschenbeutel. Collective Radiative Dynamics of an Ensemble of Cold Atoms Coupled to an Optical Waveguide, Phys. Rev. Lett., 2022, 128, 073601. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.073601
  28. M. B. Gaither-Ganim, S. A. Newlon, M. G. Anderson, B. Lee. Organic molecule single-photon sources, Oxford Open Materials Science, 2023, vol. 3, issue 1, itac017. https://doi.org/10.1093/oxfmat/itac017
  29. C. Brunel, B. Lounis, P. Tamarat, M. Orrit. Triggered Source of Single Photons based on Controlled Single Molecule Fluorescence. Phys. Rev. Lett., 1999, 83, 2722. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.2722
  30. S. Kitson, P. Jonsson, J. Rarity, P. Tapster. Intensity fluctuation spectroscopy of small numbers of dye molecules in a microcavity». Phys. Rev. A, 1998, 58, 620. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.58.620
  31. M. Steiner, A. Hartschuh, R. Korlacki, A. J. Meixner. Highly efficient, tunable single photon source based on single molecules. Appl. Phys. Lett., 2007, 90, 183122. http://dx.doi.org/10.1063/1.2736294
  32. A. Kiraz, M. Ehrl, T. Hellerer, O. E. Mustecaplioglu, C. Brauchle, A. Zumbusch. Indistinguishable Photons from a Single Molecule. Phys. Rev. Lett., 2005, 94, 223602. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.223602
  33. B. Lounis, W. E. Moerner. Single photons on demand from a single molecule at room temperature. Nature, 2000, 407, 491. http://dx.doi.org/10.1038/35035032
  34. L. Fleury, J. Segura, G. Zumofen, B. Hecht, U. Wild, Nonclassical Photon Statistics in Single-Molecule Fluorescence at Room Temperature. Phys. Rev. Lett., 2000, 84, 1148. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.1148
  35. M. Nothaft, S. Höhla, F. Jelezko, N. Frühauf, J. Pflaum, J. Wrachtrup. Electrically driven photon antibunching from a single molecule at room temperature». Nature Communications, 2012, 3, 628. https://doi.org/10.1038/ncomms1637
  36. V. I. Korepanov, D. M. Sedlovets. Recent Advances in 2D Polymeric Phthalocyanines: Synthesis, Characterization, Applications and New Challenges. Macroheterocycles, 2019, 12(3), 232–243. https://doi.org/10.6060/mhc190864s
  37. L. Zhang, Y.-J. Yu, L.-G. Chen, Y. Luo, B. Yang, F.-F. Kong, G. Chen, Y. Zhang, Q. Zhang, Y. Luo, J.-L. Yang, Z.-C. Dong, J. G. Hou. Electrically driven single-photon emission from an isolated single molecule. Nature Communications, 2017, vol. 8(1), 580. https://doi.org/10.1038/s41467-017-00681-7
  38. R. A. Escalante, M. C. Mathpal, C. Ruiz-Tagle, V. H. Alvarado, F. Pinto, L. J. Martínez, L. Gence, G. Garcia, I. A. González, J. R. Maze. Photophysics of a single quantum emitter based on vanadium phthalocyanine molecules. Optics Express, 2024, vol. 32, issue 17, pp. 29447–29457. https://doi.org/10.1364/OE.527703
  39. Y. Luo, G. Chen, Y. Zhang, L. Zhang, Y. Yu, F. Kong, X. Tian, Y. Zhang, C. Shan, Y. Luo, J. Yang, V. Sandoghdar, Z. Dong, J. G. Hou. Electrically Driven Single-Photon Superradiance from Molecular Chains in a Plasmonic Nanocavity. Phys. Rev. Lett., 2019, 122(23). https://doi.org/10.1103/physrevlett.122.233901
  40. Shuhui Bo, Jin Hu, Qi Wang, Xinhou Liua, Zhen Zhen. Near-infrared luminescence properties of erbium complexes with the substituted phthalocyaninato ligands. Photochemical & Photobiological Sciences, 2008, Vol. 7, pp. 474–479. https://doi.org/10.1039/b715809b
  41. I. A. Belogorokhov, L. I. Belogorokhova, Yu. V. Ryabchikov, V. E. Pushkarev. Luminescent Properties of Composite Systems Based on Polystyrene and Erbium(III) Phthalocyaninates in Near IR Spectral Region. Biomedical Chemistry: Research and Methods, 2018, vol. 1, no. 3, e00029. https://doi.org/10.18097/BMCRM00029
  42. G. L. Pakhomov. Luminescence of Phthalocyanine Thin Films, Physics of the Solid State, 2005, 47(1), 170. https://doi.org/10.1134/1.1853471
  43. A. Zavatta, S. Viciani, M. Bellini. Tomographic reconstruction of the single-photon Fock state by high-frequency homodyne detection. Phys. Rev. A 2004, 70(5), 053821. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.70.053821
  44. S. P. Walborn, C. H. Monken, S. Pádua, P. H. Souto Ribeiro. Spatial correlations in parametric down-conversion. Physics Reports 2010, 495(4–5), pp. 87–139. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2010.06.003
  45. Г. Г. Левин, А. А. Самойленко, К. Н. Миньков, Д. Д. Ружицкая. Расчет параметров источника бифотонного излучения в широком диапазоне длин волн. Оптика и спектроскопия, 2018, т. 125, вып. 6. https://doi.org/10.21883/OS.2018.12.46942.32-18, G. G. Levin, A. A. Samoylenko, K. N. Min’kov, D. D. Ruzhitskaya. Calculating the Parameters of the Biphoton Radiation Source in a Wide Wavelength Range, Nonlinear optics, 2018, vol.125, pp. 997–1002. https://doi.org/10.1134/S0030400X18120123
  46. K. A. Forbes, J. S. Ford, D. L. Andrews. Nonlocalized Generation of Correlated Photon Pairs in Degenerate Down-Conversion. Phys. Rev. Lett., 2017, 118 (13), 133602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.133602
  47. K. A. Forbes, J. S. Ford, G. A. Jones, D. L. Andrews. Quantum delocalization in photon-pair generation. Phys. Rev. A, 2017, 96 (2), 023850. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.96.023850
  48. D. H. Jundt, G. A. Magel, M. M. Fejer, R. L. Byer. Periodically poled LiNbO3 for high-efficiency second-harmonic generation. Appl. Phys. Lett., 1991, 59(21), 2657–2659. https://doi.org/10.1063/1.105929
  49. B. Fan, Z. Duan, L. Zhou, C. Yuan, Z. Y. Ou, W. Zhang. Generation of a single-photon source via a four-wave mixing process in a cavity. Phys. Rev. A, 2009, 80(6): 063809. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.80.063809
  50. J. E. Sharping, M. Fiorentino, A. Coker, P. Kumar, R. S. Windeler. Four-wave mixing in microstructure fiber. Optics Letters, 2001, 26(14), 1048–1050. https://doi.org/10.1364/OL.26.001048
  51. L. J. Wang, C. K. Hong, S. R. Friberg. Generation of correlated photons via four-wave mixing in optical fibres. Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics, 2001, 3(5), 346. https://doi.org/10.1088/1464-4266/3/5/F311
  52. R. E. Slusher, B. Yurke, P. Grangier, A. LaPorta, D. F. Walls, M. Reid. Squeezed-light generation by four-wave mixing near an atomic resonance. JOSA B., 1987, 4(10), 1453–1464. https://doi.org/10.1364/JOSAB.4.001453
  53. A. Dutt, K. Luke, S. Manipatruni, A. I. Gaeta, P. Nussenzveig, M. Lipson, On-Chip Optical Squeezing. Phys. Rev. Appl., 2015, 3(4), 044005. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.3.044005
  54. H. Takesue, K. Inoue. Generation of polarization-entangled photon pairs and violation of Bell’s inequality using spontaneous four-wave mixing in a fiber loop. Phys. Rev. A, 2004, 70 (3), 031802. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.70.031802

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 23. Ансамблевая схема однофотонного излучателя

Скачать (157KB)
Метаданные
3. Рис. 24. Химические структуры наиболее важных молекул в квантовых технологиях. Молекулярные структуры одиночных молекул, излучающих одиночные фотоны флуоресценции, продемонстрированные в литературе [194]

Скачать (507KB)
Метаданные
4. Рис. 25. Химическая структура полифталоцианинов. Атомы металлов показаны красным цветом, элементарная ячейка выделена пунктирным квадратом [202]

Скачать (657KB)
Метаданные
5. Рис. 26. Иллюстрация эффекта СПР: →kp, →ks, →ki – волновые векторы фотонов накачки, сигнальной, холостой волн соответственно, θp – угол наклона оптической оси кристалла к волне накачки, θs, θi – углы отклонения сигнальной и холостой волн от волны накачки [211]

Скачать (118KB)
Метаданные
6. Рис. 27. Диаграмма уровней энергии для невырожденного процесса четырехволнового смешения. Верхний энергетический уровень может быть реальным атомным или молекулярным уровнем (резонансное четырехволновое смешение) или виртуальным уровнем, сильно отстроенным от резонанса. Эта диаграмма описывает взаимодействие четырехволнового смешения между частотами f1, f2, f3 и f4

Скачать (56KB)
Метаданные

© Криштоп В.Г., 2025