Single-photon source
একক-ফোটন উৎস হল আলোর উৎস যা একক কণা বা ফোটন হিসাবে আলো নির্গত করে। এই উৎসগুলি সুসঙ্গত আলোর উৎস (লেজার) এবং তাপীয় আলোর উৎস যেমন ভাস্বর আলোর বাল্ব থেকে আলাদা। হাইজেনবার্গের অনিশ্চয়তা নীতি নির্দেশ করে যে একটি একক কম্পাঙ্কের সঠিক সংখ্যক ফোটন সহ একটি অবস্থা তৈরি করা যায় না। যাইহোক, ফকের অবস্থা (বা সংখ্যার অবস্থা) এমন একটি সিস্টেমের জন্য অধ্যয়ন করা যেতে পারে যেখানে বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের প্রশস্ততা একটি সংকীর্ণ ব্যান্ডউইথের উপর বিতরণ করা হয়। এই প্রসঙ্গে, একটি একক-ফোটন উৎস কার্যকরভাবে এক-ফোটন সংখ্যার অবস্থার জন্ম দেয়। একটি আদর্শ একক-ফোটন উৎস থেকে ফোটনগুলি কোয়ান্টাম যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে। এই বৈশিষ্ট্যগুলির মধ্যে রয়েছে ফোটন অ্যান্টিবঞ্চিং, যাতে পরপর দুটি ফোটনের মধ্যে সময় কোনও ন্যূনতম মানের চেয়ে কম না হয়। এই আচরণটি সাধারণত একটি বিম স্প্লিটার ব্যবহার করে প্রদর্শিত হয় যাতে আপতিত ফোটনের প্রায় অর্ধেক একটি অ্যাভালাঞ্চ ফটোডিয়ডের দিকে এবং অর্ধেক এক সেকেন্ডের দিকে পরিচালিত হয়। একটি ডিটেক্টরের ডালগুলি একটি দ্রুত বৈদ্যুতিন টাইমারকে 'কাউন্টার স্টার্ট' সংকেত প্রদান করতে ব্যবহৃত হয় এবং অন্যটি, পরিচিত সংখ্যক ন্যানোসেকেন্ড দ্বারা বিলম্বিত, একটি 'কাউন্টার স্টপ' সংকেত প্রদান করতে ব্যবহৃত হয়। 'স্টার্ট' এবং 'স্টপ' সংকেতের মধ্যে সময় বারবার পরিমাপ করে, দুটি ফোটন এবং কাকতালীয় গণনার মধ্যে সময়ের বিলম্বের একটি হিস্টোগ্রাম তৈরি করা যেতে পারে-যদি গুচ্ছ না ঘটে এবং ফোটনগুলি প্রকৃতপক্ষে ভাল ব্যবধানের হয়, তবে শূন্য বিলম্বের চারপাশে একটি স্পষ্ট খাঁজ দৃশ্যমান হয়। যদিও একক ফোটনের ধারণাটি 1900 সালের প্রথম দিকে প্ল্যাঙ্ক দ্বারা প্রস্তাবিত হয়েছিল, 1974 সাল পর্যন্ত একটি সত্যিকারের একক-ফোটন উৎস বিচ্ছিন্নভাবে তৈরি করা হয়নি। পারদের পরমাণুর মধ্যে একটি ক্যাসকেড রূপান্তর ব্যবহার করে এটি অর্জন করা হয়েছিল। পৃথক পরমাণু ক্যাসকেড ট্রানজিশনে বিভিন্ন ফ্রিকোয়েন্সিতে দুটি ফোটন নির্গত করে এবং বর্ণালীভাবে আলো ফিল্টার করে একটি ফোটনের পর্যবেক্ষণ অন্যটিকে 'হেরাল্ড' করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। এই একক ফোটনগুলির পর্যবেক্ষণ 1956 সালের বিখ্যাত হ্যানবারি ব্রাউন এবং টুইস পরীক্ষার মতো একটি বিমস্প্লিটারের দুটি আউটপুট বন্দরে এর অ্যান্টিকোরিলেশন দ্বারা চিহ্নিত করা হয়েছিল। আরেকটি একক-ফোটন উৎস 1977 সালে এসেছিল যা সোডিয়াম পরমাণুর একটি ক্ষীণ রশ্মি থেকে প্রতিদীপ্তি ব্যবহার করেছিল। সোডিয়াম পরমাণুর একটি রশ্মি ক্ষীণ করা হয়েছিল যাতে কোনও এক সময়ে পর্যবেক্ষিত ফ্লুরোসেন্স বিকিরণে এক বা দুটি পরমাণুর বেশি অবদান না রাখে। এইভাবে, শুধুমাত্র একক নির্গমনকারী আলো উৎপাদন করছিল এবং পর্যবেক্ষিত ফ্লুরোসেন্স বৈশিষ্ট্যযুক্ত অ্যান্টিব্যাঞ্চিং দেখায়। 1980-এর দশকের মাঝামাঝি সময়ে আয়ন ট্র্যাপের মাধ্যমে পৃথক পরমাণুগুলির বিচ্ছিন্নতা অব্যাহত ছিল। একটি একক আয়নকে একটি রেডিও ফ্রিকোয়েন্সি পল ট্র্যাপে দীর্ঘ সময়ের জন্য (10 মিনিট) ধরে রাখা যেতে পারে, এইভাবে ডাইড্রিচ এবং ওয়ালথারের পরীক্ষার মতো একাধিক একক ফোটনের একক নির্গমনকারী হিসাবে কাজ করে। একই সময়ে প্যারামেট্রিক ডাউন রূপান্তরের অরৈখিক প্রক্রিয়াটি ব্যবহার করা শুরু হয় এবং তারপর থেকে আজ অবধি এটি একক ফোটনের প্রয়োজনীয় পরীক্ষার ওয়ার্কহর্স হয়ে উঠেছে। মাইক্রোস্কোপির অগ্রগতির ফলে 1980-এর দশকের শেষের দিকে একক অণু বিচ্ছিন্ন হয়ে যায়। পরবর্তীকালে, পি-টারফিনাইল স্ফটিকগুলিতে একক পেন্টাসিন অণু সনাক্ত করা হয়েছিল। একক অণুগুলি একক-ফোটন উৎস হিসাবে ব্যবহার করা শুরু হয়েছে। একবিংশ শতাব্দীর মধ্যে বিভিন্ন কঠিন অবস্থার পদার্থের ত্রুটি কেন্দ্রগুলি আবির্ভূত হয়েছে, বিশেষত হীরা, সিলিকন কার্বাইড এবং বোরন নাইট্রাইড। সর্বাধিক অধ্যয়নরত ত্রুটি হল হীরায় নাইট্রোজেন শূন্যস্থান (এনভি) কেন্দ্র যা একক ফোটনের উৎস হিসাবে ব্যবহৃত হত। অণুগুলির সঙ্গে এই উৎসগুলি আলোর দৃঢ় বন্ধন (আয়না, মাইক্রোসোনেটর, অপটিক্যাল ফাইবার, ওয়েভগাইড ইত্যাদি) ব্যবহার করতে পারে। এন. ভি কেন্দ্রগুলির নির্গমন বৃদ্ধি করা। পাশাপাশি এনভি কেন্দ্র এবং অণু, কোয়ান্টাম ডট (কিউডি), অপটিক্যাল অ্যান্টেনায় আটকা পড়া কোয়ান্টাম ডট, কার্যকরী কার্বন ন্যানোটিউব এবং দ্বি-মাত্রিক উপকরণগুলিও একক ফোটন নির্গত করতে পারে এবং আলো-সীমাবদ্ধ কাঠামোর মতো একই অর্ধপরিবাহী উপকরণ থেকে তৈরি করা যেতে পারে। এটি লক্ষ করা যায় যে 1,550 এনএম-এর টেলিকম তরঙ্গদৈর্ঘ্যে একক ফোটন উৎসগুলি ফাইবার-অপটিক যোগাযোগে অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ এবং এগুলি বেশিরভাগই ইন্ডিয়াম আর্সেনাইড কিউডি। যাইহোক, দৃশ্যমান একক ফোটন উৎস থেকে ডাউনকন্ভার্সন কোয়ান্টাম ইন্টারফেস তৈরি করে, সংরক্ষিত অ্যান্টিবঞ্চিং দিয়ে 1,550 এনএম-এ একক ফোটন তৈরি করা যেতে পারে। অত্যন্ত মিথস্ক্রিয়াশীল রাইডবার্গ স্তরে উত্তেজনাপূর্ণ পরমাণু এবং উত্তেজনা তথাকথিত অবরোধ আয়তনের উপর একাধিক উত্তেজনা প্রতিরোধ করে। তাই একটি ছোট পারমাণবিক এনসেম্বল বা স্ফটিকগুলিতে রাইডবার্গের উত্তেজনা একক ফোটন নির্গমনকারী হিসাবে কাজ করতে পারে। কোয়ান্টাম তত্ত্বে ফোটনগুলি কোয়ান্টাইজড বৈদ্যুতিন চৌম্বকীয় বিকিরণকে বর্ণনা করে। বিশেষত, একটি ফোটন হল তড়িৎচুম্বকীয় ক্ষেত্রের স্বাভাবিক মোডের একটি প্রাথমিক উত্তেজনা। সুতরাং একটি একক-ফোটন অবস্থা হল একটি বিকিরণ মোডের কোয়ান্টাম অবস্থা যা একটি একক উত্তেজনা ধারণ করে। একক বিকিরণ মোডগুলি অন্যান্য পরিমাণের মধ্যে, বৈদ্যুতিন চৌম্বকীয় বিকিরণের ফ্রিকোয়েন্সি দ্বারা চিহ্নিত করা হয় যা তারা বর্ণনা করে। তবে, কোয়ান্টাম আলোকবিজ্ঞানে, একক-ফোটন অবস্থা একক-ফ্রিকোয়েন্সি (একবর্ণ) বিকিরণ মোডের গাণিতিক সুপারপজিশনকেও বোঝায়। এই সংজ্ঞাটি ফোটন তরঙ্গ-প্যাকেটগুলিকে অন্তর্ভুক্ত করার জন্য যথেষ্ট সাধারণ, অর্থাৎ, বিকিরণের অবস্থা যা স্থান এবং সময়ে কিছুটা স্থানীয়করণ করা হয়। একক-ফোটন উৎসগুলি উপরে বর্ণিত হিসাবে একক-ফোটন অবস্থা তৈরি করে। অন্য কথায়, আদর্শ একক-ফোটন উৎসগুলি একটি ফোটন-সংখ্যা বণ্টনের সাথে বিকিরণ তৈরি করে যার গড় এক এবং বৈকল্পিকতা শূন্য। বৈশিষ্ট্য একটি আদর্শ-একক ফোটন উৎস 100% সম্ভাব্যতা সহ একক-ফোটন অবস্থা এবং 0 শতাংশ সম্ভাব্যতা সহ অপটিক্যাল ভ্যাকুয়াম বা মাল্টি-ফোটন অবস্থা তৈরি করে। বাস্তব-জগতের একক-ফোটন উৎসগুলির কাঙ্ক্ষিত বৈশিষ্ট্যগুলির মধ্যে রয়েছে দক্ষতা, দৃঢ়তা, বাস্তবায়নের সহজতা এবং চাহিদার প্রকৃতি, অর্থাৎ নির্বিচারে নির্বাচিত সময়ে একক-ফোটন তৈরি করা। একক-ফোটন উৎস যেমন একক নির্গমনকারী যেমন একক পরমাণু, আয়ন এবং অণু, এবং কঠিন-অবস্থা নির্গমনকারী যেমন কোয়ান্টাম বিন্দু, রঙ কেন্দ্র এবং কার্বন ন্যানোটিউব সহ চাহিদা রয়েছে। বর্তমানে, অনেক সক্রিয় ন্যানোমেটারিয়াল রয়েছে যা একক কোয়ান্টাম নির্গমনকারীতে ইঞ্জিনিয়ার করা হয়েছে যেখানে অস্তরক ন্যানোস্ট্রাকচারে অপটিক্যাল অবস্থার স্থানীয় ঘনত্ব পরিবর্তন করে তাদের স্বতঃস্ফূর্ত নির্গমনকে সুর করা যেতে পারে। অস্তরক ন্যানোস্ট্রাকচারগুলি সাধারণত হেটেরোস্ট্রাকচারের মধ্যে আলো-পদার্থের মিথস্ক্রিয়া বাড়ানোর জন্য ডিজাইন করা হয় এবং এইভাবে এই একক ফোটন উৎসগুলির দক্ষতা আরও উন্নত করে। আরেকটি ধরনের উৎস অ-নির্ধারিত উৎস নিয়ে গঠিত, অর্থাৎ চাহিদা অনুযায়ী নয়, এবং এর মধ্যে দুর্বল লেজার, পারমাণবিক ক্যাসকেড এবং প্যারামেট্রিক ডাউন-কনভার্শনের মতো উদাহরণ রয়েছে। একটি উৎসের একক-ফোটন প্রকৃতি দ্বিতীয়-ক্রমের পারস্পরিক সম্পর্ক ফাংশন ব্যবহার করে পরিমাপ করা যেতে পারে। আদর্শ একক-ফোটন উৎসগুলি দেখায় এবং ভাল একক-ফোটন উৎসগুলিতে ছোট থাকে। দ্বিতীয় ক্রমের পারস্পরিক সম্পর্ক ফাংশনটি হ্যানবারি-ব্রাউন-টুইস প্রভাব ব্যবহার করে পরিমাপ করা যেতে পারে। প্রকার একটি একক ফোটনের উৎপাদন ঘটে যখন একটি উৎস আলোকীয় বা বৈদ্যুতিকভাবে উত্তেজিত হওয়ার পরে তার ফ্লুরোসেন্স জীবদ্দশায় শুধুমাত্র একটি ফোটন তৈরি করে। একটি আদর্শ একক-ফোটন উৎস এখনও তৈরি করা হয়নি। যেহেতু উচ্চমানের একক-ফোটন উৎসের প্রধান প্রয়োগগুলি হল কোয়ান্টাম কী ডিস্ট্রিবিউশন, কোয়ান্টাম রিপিটার এবং কোয়ান্টাম তথ্য বিজ্ঞান, তাই উৎপাদিত ফোটনগুলির একটি তরঙ্গদৈর্ঘ্যও থাকা উচিত যা অপটিক্যাল ফাইবারের মাধ্যমে ভ্রমণ করার সময় কম ক্ষতি এবং ক্ষয় দেবে। আজকাল একক ফোটনের সবচেয়ে সাধারণ উৎস হল একক অণু, রাইডবার্গ পরমাণু, হীরা রঙ কেন্দ্র এবং কোয়ান্টাম বিন্দু, যার মধ্যে শেষটি ব্যাপকভাবে অধ্যয়ন করা হয়েছে অনেক গবেষণা গোষ্ঠীর প্রচেষ্টার সাথে কোয়ান্টাম বিন্দুগুলি উপলব্ধি করার জন্য যা ফাইবার-অপটিক যোগাযোগের কম ক্ষতির উইন্ডোতে ফোটনের সাথে ঘরের তাপমাত্রায় একক ফোটনগুলিকে ফ্লুরোসেস করে। অনেক উদ্দেশ্যে একক ফোটনগুলিকে অ্যান্টি-বাঞ্চ করা প্রয়োজন, এবং এটি যাচাই করা যেতে পারে। ম্লান লেজার প্রথম এবং সহজতম উৎসগুলির মধ্যে একটি তৈরি করা হয়েছিল একটি প্রচলিত লেজার রশ্মির তীব্রতা হ্রাস করে এবং এর ফলে প্রতি স্পন্দনে গড় ফোটন সংখ্যা হ্রাস করে। যেহেতু ফোটন পরিসংখ্যান একটি পয়সন বন্টন অনুসরণ করে, তাই এক বনাম দুই বা ততোধিক ফোটনের নির্গমনের জন্য একটি সুনির্দিষ্ট সম্ভাব্যতা অনুপাত সহ উৎস অর্জন করা যেতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, শূন্য ফোটনের জন্য 90 শতাংশ, এক ফোটনের জন্য 9 শতাংশ এবং একাধিক ফোটনের জন্য 1 শতাংশ সম্ভাবনার দিকে পরিচালিত করে। যদিও এই ধরনের উৎস নির্দিষ্ট কিছু প্রয়োগের জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে, তবে এর একটি দ্বিতীয়-ক্রমের তীব্রতার পারস্পরিক সম্পর্ক ফাংশন রয়েছে যা একটির সমান (কোনও অ্যান্টিবঞ্চিং নেই)। তবে অনেক প্রয়োগের জন্য, অ্যান্টিব্যাঞ্চিং প্রয়োজন, উদাহরণস্বরূপ কোয়ান্টাম ক্রিপ্টোগ্রাফিতে। একক উচ্চ-শক্তির ফোটন ব্যবহার করে দুটি নিম্ন-শক্তির ফোটন তৈরি করে একক ফোটনের জোড়া অত্যন্ত পরস্পর সম্পর্কিত অবস্থায় তৈরি করা যেতে পারে। ফলস্বরূপ জোড়া থেকে একটি ফোটন অন্যটিকে 'হেরাল্ড' করতে সনাক্ত করা যেতে পারে (তাই সনাক্তকরণের আগে এর অবস্থা বেশ সুপরিচিত যতক্ষণ না দুটি ফোটন অবস্থা পৃথক করা যায়, অন্যথায় 'হেরাল্ডিং' পাতা একটি মিশ্র অবস্থায় ফোটনকে হেরাল্ড করে)। দুটি ফোটনের সাধারণত একই তরঙ্গদৈর্ঘ্যের প্রয়োজন হয় না, তবে মোট শক্তি এবং ফলস্বরূপ মেরুকরণ উৎপাদন প্রক্রিয়া দ্বারা সংজ্ঞায়িত করা হয়। এই ধরনের জোড়া ফোটনের জন্য গভীর আগ্রহের একটি ক্ষেত্র হল কোয়ান্টাম কী বিতরণ। কোয়ান্টাম বলবিজ্ঞানের মৌলিক পদার্থবিজ্ঞানের সূত্রগুলি পরীক্ষা করার জন্যও ঘোষিত একক-ফোটন উৎসগুলি ব্যবহার করা হয়। সাধারণত ব্যবহৃত দুটি ধরনের একক-ফোটন উৎস রয়েছেঃ স্বতঃস্ফূর্ত প্যারামেট্রিক ডাউন-রূপান্তর এবং স্বতঃস্ফূর্ত চার-তরঙ্গ মিশ্রণ। প্রথম উৎসের লাইন-প্রস্থ প্রায় টিএইচজেড এবং দ্বিতীয়টির লাইন-প্রস্থ প্রায় মেগাহার্টজ বা সংকীর্ণ। আলোকীয় গহ্বরে ফটোনিক্স সংরক্ষণ এবং লোডিং প্রদর্শনের জন্য ঘোষিত একক ফোটন ব্যবহার করা হয়েছে। রেফারেন্স গ্রন্থপঞ্জি আর. লাউডন, আলোর কোয়ান্টাম তত্ত্ব,: অক্সফোর্ড ইউনিভার্সিটি প্রেস, 3য় সংস্করণ (2000)। আলোক উৎস ফটোনিক্স-এ অনুবাদ করা হয়েছে