Single-photon source
સિંગલ-ફોટોન સ્ત્રોતો એ પ્રકાશ સ્રોતો છે જે પ્રકાશને સિંગલ કણો અથવા ફોટોન તરીકે બહાર કાઢે છે. આ સ્રોતો સુસંગત પ્રકાશ સ્રોતો (લેસરો) અને તાપીય પ્રકાશ સ્રોતો જેવા કે અગ્નિથી પ્રકાશિત થતા બલ્બથી અલગ છે. હાઈસેનબર્ગ અનિશ્ચિતતા સિદ્ધાંત સૂચવે છે કે એક જ આવર્તનના ફોટોનની ચોક્કસ સંખ્યા ધરાવતી સ્થિતિ બનાવી શકાતી નથી. જો કે, ફોક સ્થિતિઓ (અથવા સંખ્યા સ્થિતિઓ) નો અભ્યાસ એવી પ્રણાલી માટે કરી શકાય છે જ્યાં વિદ્યુત ક્ષેત્રનું કંપનવિસ્તાર સાંકડી બેન્ડવિડ્થ પર વહેંચાયેલું હોય. આ સંદર્ભમાં, એક-ફોટોન સ્રોત અસરકારક રીતે એક-ફોટોન સંખ્યા સ્થિતિને જન્મ આપે છે. આદર્શ સિંગલ-ફોટોન સ્રોતમાંથી ફોટોન ક્વોન્ટમ યાંત્રિક લાક્ષણિકતાઓ દર્શાવે છે. આ લાક્ષણિકતાઓમાં ફોટોન એન્ટીબંચિંગનો સમાવેશ થાય છે, જેથી બે ક્રમિક ફોટોન વચ્ચેનો સમય કોઈ લઘુતમ મૂલ્યથી ઓછો ન હોય. આ વર્તણૂક સામાન્ય રીતે બીમ સ્પ્લિટરનો ઉપયોગ કરીને લગભગ અડધા ઘટના ફોટોનને એક હિમપ્રપાત ફોટોડાયોડ તરફ અને અડધા સેકન્ડ તરફ નિર્દેશિત કરીને દર્શાવવામાં આવે છે. એક ડિટેક્ટરની કઠોળનો ઉપયોગ ઝડપી ઇલેક્ટ્રોનિક ટાઈમરને 'કાઉન્ટર સ્ટાર્ટ' સંકેત પ્રદાન કરવા માટે થાય છે, અને અન્ય, જે નેનોસેકન્ડ્સની જાણીતી સંખ્યા દ્વારા વિલંબિત થાય છે, તેનો ઉપયોગ 'કાઉન્ટર સ્ટોપ' સંકેત પ્રદાન કરવા માટે થાય છે. 'સ્ટાર્ટ' અને 'સ્ટોપ' સંકેતો વચ્ચેના સમયને વારંવાર માપવાથી, બે ફોટોન અને સંયોગની ગણતરી વચ્ચેના સમય વિલંબનો હિસ્ટોગ્રામ બનાવી શકાય છે-જો ગુંચવણ થતી નથી, અને ફોટોન ખરેખર સારી રીતે અંતરે હોય, તો શૂન્ય વિલંબની આસપાસ એક સ્પષ્ટ નોચ દેખાય છે. જોકે એક જ ફોટોનની વિભાવનાની દરખાસ્ત પ્લેન્ક દ્વારા 1900ની શરૂઆતમાં કરવામાં આવી હતી, પરંતુ સાચો એક-ફોટોન સ્રોત 1974 સુધી અલગથી બનાવવામાં આવ્યો ન હતો. પારાના અણુઓમાં કાસ્કેડ સંક્રમણનો ઉપયોગ કરીને આ હાંસલ કરવામાં આવ્યું હતું. વ્યક્તિગત અણુઓ કાસ્કેડ સંક્રમણમાં જુદી જુદી આવર્તન પર બે ફોટોન બહાર કાઢે છે અને પ્રકાશને સ્પેક્ટ્રલી ફિલ્ટર કરીને એક ફોટોનના નિરીક્ષણનો ઉપયોગ બીજાને 'હેરાલ્ડ' કરવા માટે કરી શકાય છે. આ એક ફોટોનનું નિરીક્ષણ 1956ના પ્રખ્યાત હેનબરી બ્રાઉન અને ટ્વિસ પ્રયોગની જેમ જ બીમસ્પ્લિટરના બે આઉટપુટ બંદરો પર તેના એન્ટીકોરિલેશન દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. બીજો એક-ફોટોન સ્રોત 1977માં આવ્યો હતો જેણે સોડિયમ અણુઓના ક્ષીણ બીમમાંથી ફ્લોરોસન્સનો ઉપયોગ કર્યો હતો. સોડિયમ અણુઓના કિરણોત્સર્ગને હળવો કરવામાં આવ્યો હતો જેથી કોઈ પણ સમયે અવલોકન કરાયેલ ફ્લોરોસન્સ કિરણોત્સર્ગમાં એક કે બેથી વધુ અણુઓએ ફાળો ન આપ્યો હોય. આ રીતે, માત્ર એક જ ઉત્સર્જકો પ્રકાશ ઉત્પન્ન કરી રહ્યા હતા અને અવલોકન કરાયેલ ફ્લોરોસન્સ લાક્ષણિક એન્ટિબંચિંગ દર્શાવે છે. 1980 ના દાયકાના મધ્યમાં આયન ફાંસો સાથે વ્યક્તિગત અણુઓનું અલગતા ચાલુ રહી. એક જ આયનને રેડિયો ફ્રિક્વન્સી પોલ ટ્રેપમાં લાંબા સમય સુધી (10 મિનિટ) રાખી શકાય છે, આમ ડાયડ્રિચ અને વોલ્થરના પ્રયોગોની જેમ બહુવિધ એક જ ફોટોનના એક જ ઉત્સર્જક તરીકે કામ કરે છે. તે જ સમયે પેરામેટ્રિક ડાઉન કન્વર્ઝનની બિનરેખીય પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરવાનું શરૂ થયું અને ત્યારથી આજ સુધી તે સિંગલ ફોટોનની જરૂર હોય તેવા પ્રયોગોનું વર્કહોર્સ બની ગયું છે. માઇક્રોસ્કોપીમાં પ્રગતિ 1980 ના દાયકાના અંતમાં એક અણુના અલગ થવા તરફ દોરી ગઈ. ત્યારબાદ, પી-ટર્ફેનિલ સ્ફટિકોમાં સિંગલ પેન્ટેસીન પરમાણુઓ મળી આવ્યા હતા. એક અણુનો ઉપયોગ એક ફોટોન સ્ત્રોત તરીકે થવા લાગ્યો છે. 21મી સદીની અંદર વિવિધ ઘન અવસ્થાની સામગ્રીમાં ખામી કેન્દ્રો ઉભરી આવ્યા છે, જેમાં સૌથી વધુ નોંધપાત્ર રીતે હીરા, સિલિકોન કાર્બાઇડ અને બોરોન નાઇટ્રાઇડ છે. સૌથી વધુ અભ્યાસ કરાયેલ ખામી એ હીરામાં નાઇટ્રોજન ખાલી જગ્યા (એન. વી.) કેન્દ્રો છે જેનો ઉપયોગ એક જ ફોટોનના સ્ત્રોત તરીકે થતો હતો. અણુઓ સાથે આ સ્રોતો પ્રકાશની મજબૂત બંધન (અરીસાઓ, માઇક્રોસોનેટર્સ, ઓપ્ટિકલ ફાઈબર્સ, વેવગાઇડ વગેરે) નો ઉપયોગ કરી શકે છે. એન. વી. કેન્દ્રોનું ઉત્સર્જન વધારવા માટે. તેમજ એન. વી. કેન્દ્રો અને અણુઓ, ક્વોન્ટમ બિંદુઓ (ક્યુ. ડી.), ઓપ્ટિકલ એન્ટેનામાં ફસાયેલા ક્વોન્ટમ બિંદુઓ, કાર્યરત કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ અને દ્વિ-પરિમાણીય સામગ્રી પણ એક ફોટોનનું ઉત્સર્જન કરી શકે છે અને પ્રકાશ-મર્યાદિત માળખાઓ જેવી જ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીમાંથી બનાવી શકાય છે. એ નોંધવામાં આવે છે કે 1,550 એનએમની ટેલિકોમ તરંગલંબાઇ પર સિંગલ ફોટોન સ્ત્રોતો ફાઇબર-ઓપ્ટિક સંચારમાં ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે અને તે મોટે ભાગે ઇન્ડિયમ આર્સેનાઇડ ક્યૂડી છે. જો કે, દૃશ્યમાન સિંગલ ફોટોન સ્રોતોમાંથી ડાઉનકન્વર્ઝન ક્વોન્ટમ ઇન્ટરફેસ બનાવીને, હજી પણ સંરક્ષિત એન્ટિબંચિંગ સાથે 1,550 એનએમ પર સિંગલ ફોટોન બનાવી શકાય છે. અત્યંત ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા રાયડબર્ગ સ્તરો પર ઉત્તેજક અણુઓ અને ઉત્તેજના કહેવાતા નાકાબંધીના જથ્થા પર એક કરતાં વધુ ઉત્તેજનાને અટકાવે છે. તેથી નાના અણુ સમૂહ અથવા સ્ફટિકોમાં રાયડબર્ગ ઉત્તેજના એક જ ફોટોન ઉત્સર્જક તરીકે કામ કરી શકે છે. વ્યાખ્યા ક્વોન્ટમ સિદ્ધાંતમાં, ફોટોન માત્રાત્મક વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણનું વર્ણન કરે છે. ખાસ કરીને, ફોટોન એ વિદ્યુતચુંબકીય ક્ષેત્રની સામાન્ય પદ્ધતિની પ્રાથમિક ઉત્તેજના છે. આમ સિંગલ-ફોટોન સ્થિતિ એ રેડિયેશન મોડની ક્વોન્ટમ સ્થિતિ છે જેમાં એક જ ઉત્તેજના હોય છે. સિંગલ રેડિયેશન મોડ્સને અન્ય જથ્થાની સાથે, તેઓ વર્ણવે છે તે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનની આવર્તન દ્વારા લેબલ કરવામાં આવે છે. જો કે, ક્વોન્ટમ ઓપ્ટિક્સમાં, સિંગલ-ફોટોન સ્થિતિઓ સિંગલ-ફ્રિક્વન્સી (મોનોક્રોમેટિક) રેડિયેશન સ્થિતિઓના ગાણિતિક સુપરપોઝિશનનો પણ ઉલ્લેખ કરે છે. આ વ્યાખ્યા ફોટોન તરંગ-પેકેટનો સમાવેશ કરવા માટે પૂરતી સામાન્ય છે, એટલે કે, કિરણોત્સર્ગની સ્થિતિ જે જગ્યા અને સમયમાં અમુક અંશે સ્થાનિક છે. ઉપર વર્ણવ્યા મુજબ સિંગલ-ફોટોન સ્ત્રોતો સિંગલ-ફોટોન સ્થિતિઓ પેદા કરે છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, આદર્શ સિંગલ-ફોટોન સ્ત્રોતો ફોટોન-નંબર વિતરણ સાથે કિરણોત્સર્ગ પેદા કરે છે જેમાં સરેરાશ એક અને તફાવત શૂન્ય હોય છે. લાક્ષણિકતાઓ એક આદર્શ-સિંગલ ફોટોન સ્રોત 100% સંભાવના સાથે સિંગલ-ફોટોન સ્થિતિઓ અને 0 ટકા સંભાવના સાથે ઓપ્ટિકલ વેક્યૂમ અથવા મલ્ટી-ફોટોન સ્થિતિઓ ઉત્પન્ન કરે છે. વાસ્તવિક દુનિયાના સિંગલ-ફોટોન સ્રોતોના ઇચ્છનીય ગુણધર્મોમાં કાર્યક્ષમતા, મજબૂતાઈ, અમલીકરણની સરળતા અને માંગ પર પ્રકૃતિ, એટલે કે મનસ્વી રીતે પસંદ કરેલા સમયે સિંગલ-ફોટોન ઉત્પન્ન કરવાનો સમાવેશ થાય છે. એકલ અણુઓ, આયનો અને અણુઓ જેવા એકલ ઉત્સર્જકો અને ક્વોન્ટમ બિંદુઓ, રંગ કેન્દ્રો અને કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ જેવા ઘન-સ્થિતિ ઉત્સર્જકો સહિત એકલ-ફોટોન સ્રોતો માંગ પર છે. હાલમાં, એકલ ક્વોન્ટમ ઉત્સર્જકોમાં એન્જિનિયર્ડ ઘણી સક્રિય નેનો સામગ્રીઓ છે જ્યાં તેમના સ્વયંસ્ફુરિત ઉત્સર્જનને ડાઇલેક્ટ્રિક નેનોસ્ટ્રક્ચર્સમાં ઓપ્ટિકલ સ્થિતિઓની સ્થાનિક ઘનતામાં ફેરફાર કરીને ટ્યુન કરી શકાય છે. ડાઇઇલેક્ટ્રિક નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ સામાન્ય રીતે પ્રકાશ-પદાર્થની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને વધારવા માટે હેટેરોસ્ટ્રક્ચર્સની અંદર ડિઝાઇન કરવામાં આવે છે, અને આમ આ સિંગલ ફોટોન સ્રોતોની કાર્યક્ષમતામાં વધુ સુધારો કરે છે. અન્ય પ્રકારના સ્રોતમાં બિન-નિર્ધારિત સ્રોતોનો સમાવેશ થાય છે, એટલે કે માંગ પર નહીં, અને તેમાં નબળા લેસરો, અણુ કાસ્કેડ અને પેરામેટ્રિક ડાઉન-કન્વર્ઝન જેવા ઉદાહરણોનો સમાવેશ થાય છે. સ્રોતની એક-ફોટોન પ્રકૃતિને બીજા ક્રમના સહસંબંધ કાર્યનો ઉપયોગ કરીને માપી શકાય છે. આદર્શ સિંગલ-ફોટોન સ્રોતો દર્શાવે છે અને સારા સિંગલ-ફોટોન સ્રોતો નાના હોય છે. બીજા ક્રમના સહસંબંધ કાર્યને હેનબરી-બ્રાઉન-ટ્વિસ અસરનો ઉપયોગ કરીને માપી શકાય છે. પ્રકારો એક જ ફોટોનની ઉત્પત્તિ ત્યારે થાય છે જ્યારે કોઈ સ્રોત ઓપ્ટિકલી અથવા ઇલેક્ટ્રિકલી ઉત્તેજિત થયા પછી તેના ફ્લોરોસન્સ જીવનકાળમાં માત્ર એક જ ફોટોન બનાવે છે. એક આદર્શ સિંગલ-ફોટોન સ્રોત હજુ બનાવવાનો બાકી છે. ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા સિંગલ-ફોટોન સ્રોત માટેના મુખ્ય ઉપયોગો ક્વોન્ટમ કી વિતરણ, ક્વોન્ટમ રિપીટર્સ અને ક્વોન્ટમ માહિતી વિજ્ઞાન છે તે જોતાં, ઉત્પન્ન થયેલા ફોટોનની તરંગલંબાઇ પણ હોવી જોઈએ જે ઓપ્ટિકલ ફાઇબર દ્વારા મુસાફરી કરતી વખતે ઓછી ખોટ અને ક્ષીણતા આપશે. આજકાલ સિંગલ ફોટોનના સૌથી સામાન્ય સ્ત્રોતો સિંગલ મોલેક્યુલ્સ, રાયડબર્ગ અણુઓ, હીરા રંગ કેન્દ્રો અને ક્વોન્ટમ બિંદુઓ છે, જેમાં છેલ્લા ક્વોન્ટમ બિંદુઓને સમજવા માટે ઘણા સંશોધન જૂથોના પ્રયાસો સાથે વ્યાપકપણે અભ્યાસ કરવામાં આવે છે જે ફાઇબર-ઓપ્ટિક સંચારની ઓછી ખોટની વિંડોમાં ફોટોન સાથે ઓરડાના તાપમાને સિંગલ ફોટોનને ફ્લોરોસ કરે છે. ઘણા હેતુઓ માટે સિંગલ ફોટોનને એન્ટી-બંચ કરવાની જરૂર છે, અને આ ચકાસી શકાય છે. મંદ લેસર પ્રથમ અને સૌથી સરળ સ્રોતોમાંથી એક તેની તીવ્રતાને ઘટાડવા માટે પરંપરાગત લેસર બીમને ઘટાડીને બનાવવામાં આવ્યું હતું અને તેથી પલ્સ દીઠ સરેરાશ ફોટોન નંબર. ફોટોનના આંકડા પોઈસન વિતરણને અનુસરે છે, તેથી એક વિરુદ્ધ બે કે તેથી વધુ ફોટોનના ઉત્સર્જન માટે સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત સંભાવના ગુણોત્તર સાથે સ્રોત પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, μ = 0.1 નું સરેરાશ મૂલ્ય શૂન્ય ફોટોન માટે 90 ટકા, એક ફોટોન માટે 9 ટકા અને એકથી વધુ ફોટોન માટે 1 ટકાની સંભાવના તરફ દોરી જાય છે. જો કે આવા સ્રોતનો ઉપયોગ ચોક્કસ કાર્યક્રમો માટે થઈ શકે છે, તેમ છતાં તેમાં બીજા ક્રમની તીવ્રતા સહસંબંધ કાર્ય છે જે એકની બરાબર છે (કોઈ એન્ટિબંચિંગ નથી). જો કે, ઘણી એપ્લિકેશનો માટે, એન્ટિબંચિંગ જરૂરી છે, ઉદાહરણ તરીકે ક્વોન્ટમ ક્રિપ્ટોગ્રાફીમાં. એક જ ફોટોનની જોડી એક જ ઉચ્ચ-ઊર્જા ફોટોનનો ઉપયોગ કરીને બે નિમ્ન-ઊર્જા ફોટોન બનાવવા માટે અત્યંત સહસંબંધિત સ્થિતિમાં પેદા કરી શકાય છે. પરિણામી જોડીમાંથી એક ફોટોન બીજાને 'હેરાલ્ડ' કરવા માટે શોધી શકાય છે (તેથી જ્યાં સુધી બે ફોટોન સ્થિતિ અલગ થઈ શકે ત્યાં સુધી તેની સ્થિતિ શોધ પહેલાં ખૂબ સારી રીતે જાણીતી છે, અન્યથા 'હેરાલ્ડિંગ' પાંદડાઓ ફોટોનને મિશ્ર સ્થિતિમાં હેરાલ્ડ કરે છે). બે ફોટોન સામાન્ય રીતે સમાન તરંગલંબાઇના હોવાની જરૂર નથી, પરંતુ કુલ ઊર્જા અને પરિણામી ધ્રુવીકરણને ઉત્પાદન પ્રક્રિયા દ્વારા વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. ફોટોનની આવી જોડી માટે ઊંડો રસ ધરાવતું એક ક્ષેત્ર ક્વોન્ટમ કી વિતરણ છે. ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સમાં મૂળભૂત ભૌતિકશાસ્ત્રના નિયમોની તપાસ કરવા માટે પણ એક-ફોટોન સ્ત્રોતોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા બે પ્રકારનાં હેરાલ્ડેડ સિંગલ-ફોટોન સ્રોતો છેઃ સ્વયંસ્ફુરિત પેરામેટ્રિક ડાઉન-કન્વર્ઝન અને સ્વયંસ્ફુરિત ચાર-તરંગ મિશ્રણ. પ્રથમ સ્રોતની રેખા-પહોળાઈ ટીએચઝેડની આસપાસ હોય છે અને બીજા સ્રોતની રેખા-પહોળાઈ મેગાહર્ટઝની આસપાસ અથવા સાંકડી હોય છે. હેરાલ્ડેડ સિંગલ ફોટોનનો ઉપયોગ ફોટોનિક્સ સંગ્રહ અને ઓપ્ટિકલ પોલાણમાં લોડિંગ દર્શાવવા માટે કરવામાં આવ્યો છે. સંદર્ભ ગ્રંથસૂચિ આર. લાઉડોન, ધ ક્વોન્ટમ થિયરી ઓફ લાઇટ,: ઓક્સફર્ડ યુનિવર્સિટી પ્રેસ, ત્રીજી આવૃત્તિ (2000). પ્રકાશ સ્રોતો ફોટોનિક્સમાં અનુવાદિત