Single-photon source
एकल-फोटॉन स्रोत प्रकाश स्रोत हैं जो प्रकाश को एकल कण या फोटॉन के रूप में उत्सर्जित करते हैं। ये स्रोत सुसंगत प्रकाश स्रोतों (लेजर) और तापीय प्रकाश स्रोतों जैसे गरमागरम प्रकाश बल्बों से अलग हैं। हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत बताता है कि एकल आवृत्ति के फोटॉनों की सटीक संख्या के साथ एक अवस्था नहीं बनाई जा सकती है। हालाँकि, फ़ॉक अवस्थाओं (या संख्या अवस्थाओं) का अध्ययन एक ऐसी प्रणाली के लिए किया जा सकता है जहाँ विद्युत क्षेत्र का आयाम एक संकीर्ण बैंडविड्थ पर वितरित किया जाता है। इस संदर्भ में, एक एकल-फोटॉन स्रोत एक प्रभावी रूप से एक-फोटॉन संख्या अवस्था को जन्म देता है। एक आदर्श एकल-फोटॉन स्रोत से फोटॉन क्वांटम यांत्रिक विशेषताओं को प्रदर्शित करते हैं। इन विशेषताओं में फोटॉन एंटीबंचिंग शामिल है, ताकि दो क्रमिक फोटॉनों के बीच का समय कभी भी किसी न्यूनतम मूल्य से कम न हो। इस व्यवहार को आम तौर पर एक बीम स्प्लिटर का उपयोग करके लगभग आधे घटना फोटॉन को एक हिमस्खलन फोटोडायोड की ओर और आधे को एक सेकंड की ओर निर्देशित करने के लिए प्रदर्शित किया जाता है। एक डिटेक्टर से दालों का उपयोग एक तेज इलेक्ट्रॉनिक टाइमर को 'काउंटर स्टार्ट' संकेत प्रदान करने के लिए किया जाता है, और दूसरा, नैनोसेकंड की एक ज्ञात संख्या से विलंबित, एक 'काउंटर स्टॉप' संकेत प्रदान करने के लिए उपयोग किया जाता है। 'स्टार्ट' और 'स्टॉप' संकेतों के बीच के समय को बार-बार मापने से, दो फोटॉनों और संयोग गणना के बीच समय विलंब का एक हिस्टोग्राम बन सकता है-यदि गुच्छ नहीं हो रहा है, और फोटॉन वास्तव में अच्छी तरह से फैले हुए हैं, तो शून्य विलंब के आसपास एक स्पष्ट निशान दिखाई देता है। हालांकि एकल फोटॉन की अवधारणा 1900 की शुरुआत में प्लैंक द्वारा प्रस्तावित की गई थी, 1974 तक एक सच्चे एकल-फोटॉन स्रोत को अलगाव में नहीं बनाया गया था। यह पारा परमाणुओं के भीतर एक कैस्केड संक्रमण का उपयोग करके हासिल किया गया था। अलग-अलग परमाणु कैस्केड संक्रमण में अलग-अलग आवृत्तियों पर दो फोटॉन उत्सर्जित करते हैं और प्रकाश को वर्णक्रमीय रूप से छानकर एक फोटॉन के अवलोकन का उपयोग दूसरे को 'हेराल्ड' करने के लिए किया जा सकता है। इन एकल फोटॉनों के अवलोकन की विशेषता 1956 के प्रसिद्ध हैनबरी ब्राउन और ट्विस प्रयोग के समान एक बीमस्प्लिटर के दो आउटपुट बंदरगाहों पर इसके एंटीकोरिलेशन द्वारा की गई थी। एक अन्य एकल-फोटॉन स्रोत 1977 में आया जिसने सोडियम परमाणुओं की क्षीण किरण से प्रतिदीप्ति का उपयोग किया। सोडियम परमाणुओं की एक किरण को क्षीण किया गया था ताकि किसी भी एक समय में देखे गए प्रतिदीप्ति विकिरण में एक या दो से अधिक परमाणुओं का योगदान न हो। इस तरह, केवल एकल उत्सर्जक प्रकाश का उत्पादन कर रहे थे और देखे गए प्रतिदीप्ति ने विशेषता एंटीबंचिंग को दिखाया। 1980 के दशक के मध्य में आयन जाल के साथ अलग-अलग परमाणुओं का अलगाव जारी रहा। एक एकल आयन को रेडियो आवृत्ति पॉल ट्रैप में एक विस्तारित अवधि (10 मिनट) के लिए रखा जा सकता है, इस प्रकार कई एकल फोटॉनों के एकल उत्सर्जक के रूप में कार्य करता है जैसा कि डाइड्रिच और वाल्थेर के प्रयोगों में किया गया था। उसी समय पैरामीट्रिक डाउन रूपांतरण की अरैखिक प्रक्रिया का उपयोग किया जाने लगा और तब से आज तक यह एकल फोटॉन की आवश्यकता वाले प्रयोगों का वर्कहॉर्स बन गया है। सूक्ष्मदर्शी में प्रगति ने 1980 के दशक के अंत में एकल अणुओं के अलगाव को जन्म दिया। इसके बाद, पी-टर्फेनिल क्रिस्टल में एकल पेंटासीन अणुओं का पता चला। एकल अणुओं का उपयोग एकल-फोटॉन स्रोतों के रूप में किया जाना शुरू हो गया है। 21वीं शताब्दी के भीतर विभिन्न ठोस अवस्था सामग्री में दोष केंद्र उभरे हैं, विशेष रूप से हीरा, सिलिकॉन कार्बाइड और बोरॉन नाइट्राइड। सबसे अधिक अध्ययन किया गया दोष हीरे में नाइट्रोजन रिक्ति (एन. वी.) केंद्र है जिसका उपयोग एकल फोटॉन के स्रोत के रूप में किया जाता था। अणुओं के साथ ये स्रोत प्रकाश के मजबूत बंधन (दर्पण, माइक्रोसोनेटर, ऑप्टिकल फाइबर, वेवगाइड, आदि) का उपयोग कर सकते हैं। एन. वी. केंद्रों के उत्सर्जन को बढ़ाना। एन. वी. केंद्रों और अणुओं के साथ-साथ क्वांटम डॉट्स (क्यू. डी.), ऑप्टिकल एंटीना में फंसे क्वांटम डॉट्स, कार्यात्मक कार्बन नैनोट्यूब और दो-आयामी सामग्री भी एकल फोटॉन का उत्सर्जन कर सकते हैं और प्रकाश-सीमित संरचनाओं के समान अर्धचालक सामग्री से इसका निर्माण किया जा सकता है। यह ध्यान दिया जाता है कि 1,550 एनएम की दूरसंचार तरंग दैर्ध्य पर एकल फोटॉन स्रोत फाइबर-ऑप्टिक संचार में बहुत महत्वपूर्ण हैं और वे ज्यादातर इंडियम आर्सेनाइड क्यूडी हैं। हालांकि, दृश्यमान एकल फोटॉन स्रोतों से डाउनकॉन्वर्जन क्वांटम इंटरफेस बनाकर, कोई भी अभी भी संरक्षित एंटीबंचिंग के साथ 1,550 एनएम पर एकल फोटॉन बना सकता है। अत्यधिक अंतःक्रियाशील राइडबर्ग स्तरों के लिए उत्तेजक परमाणु और उत्तेजना तथाकथित अवरोध मात्रा पर एक से अधिक उत्तेजना को रोकते हैं। इसलिए एक छोटे परमाणु समूह या क्रिस्टल में राइडबर्ग उत्तेजना एक एकल फोटॉन उत्सर्जक के रूप में कार्य कर सकती है। परिभाषा क्वांटम सिद्धांत में, फोटॉन मात्रात्मक विद्युत चुम्बकीय विकिरण का वर्णन करते हैं। विशेष रूप से, एक फोटॉन विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के एक सामान्य मोड का एक प्राथमिक उत्तेजना है। इस प्रकार एक एकल-फोटॉन अवस्था एक विकिरण मोड की क्वांटम अवस्था है जिसमें एक एकल उत्तेजना होती है। एकल विकिरण विधियों को अन्य मात्राओं के साथ, विद्युत चुम्बकीय विकिरण की आवृत्ति द्वारा लेबल किया जाता है जिसका वे वर्णन करते हैं। हालांकि, क्वांटम प्रकाशिकी में, एकल-फोटॉन अवस्थाएं एकल-आवृत्ति (एकवर्णी) विकिरण मोड के गणितीय सुपरपोजिशन को भी संदर्भित करती हैं। यह परिभाषा फोटॉन तरंग-पैकेट, अर्थात विकिरण की अवस्थाओं को शामिल करने के लिए पर्याप्त सामान्य है जो स्थान और समय में कुछ हद तक स्थानीयकृत हैं। एकल-फोटॉन स्रोत एकल-फोटॉन अवस्थाएँ उत्पन्न करते हैं जैसा कि ऊपर वर्णित है। दूसरे शब्दों में, आदर्श एकल-फोटॉन स्रोत एक फोटॉन-संख्या वितरण के साथ विकिरण उत्पन्न करते हैं जिसका औसत एक और विचरण शून्य होता है। विशेषताएँ एक आदर्श-एकल फोटॉन स्रोत 100% संभाव्यता के साथ एकल-फोटॉन अवस्थाएँ और 0 प्रतिशत संभाव्यता के साथ ऑप्टिकल वैक्यूम या बहु-फोटॉन अवस्थाएँ उत्पन्न करता है। वास्तविक दुनिया के एकल-फोटॉन स्रोतों के वांछनीय गुणों में दक्षता, मजबूती, कार्यान्वयन में आसानी और मांग पर प्रकृति, यानी मनमाने ढंग से चुने गए समय पर एकल-फोटॉन उत्पन्न करना शामिल है। एकल परमाणु, आयन और अणु जैसे एकल उत्सर्जक और क्वांटम डॉट्स, रंग केंद्र और कार्बन नैनोट्यूब जैसे ठोस अवस्था उत्सर्जक सहित एकल-फोटॉन स्रोत मांग पर हैं। वर्तमान में, कई सक्रिय नैनोमटेरियल्स हैं जिन्हें एकल क्वांटम उत्सर्जकों में इंजीनियर किया गया है, जहां परावैद्युत नैनोस्ट्रक्चर में ऑप्टिकल अवस्थाओं के स्थानीय घनत्व को बदलकर उनके सहज उत्सर्जन को ट्यून किया जा सकता है। परावैद्युत नैनो संरचनाओं को आमतौर पर प्रकाश-पदार्थ की परस्पर क्रिया को बढ़ाने के लिए विषम संरचनाओं के भीतर डिज़ाइन किया जाता है, और इस प्रकार इन एकल फोटॉन स्रोतों की दक्षता में और सुधार होता है। एक अन्य प्रकार के स्रोत में गैर-निर्धारक स्रोत शामिल हैं, यानी मांग पर नहीं, और इनमें कमजोर लेजर, परमाणु कैस्केड और पैरामीट्रिक डाउन-कन्वर्जन जैसे उदाहरण शामिल हैं। किसी स्रोत की एकल-फोटॉन प्रकृति को दूसरे क्रम के सहसंबंध कार्य का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है। आदर्श एकल-फोटॉन स्रोत दिखते हैं और अच्छे एकल-फोटॉन स्रोत छोटे होते हैं। द्वितीय-क्रम सहसंबंध फलन को हैनबरी-ब्राउन-ट्विस प्रभाव का उपयोग करके मापा जा सकता है। प्रकार एकल फोटॉन की उत्पत्ति तब होती है जब कोई स्रोत प्रकाशिक या विद्युत रूप से उत्तेजित होने के बाद अपने प्रतिदीप्ति जीवनकाल के भीतर केवल एक फोटॉन बनाता है। एक आदर्श एकल-फोटॉन स्रोत अभी बनाया जाना बाकी है। यह देखते हुए कि उच्च गुणवत्ता वाले एकल-फोटॉन स्रोत के लिए मुख्य अनुप्रयोग क्वांटम कुंजी वितरण, क्वांटम रिपीटर और क्वांटम सूचना विज्ञान हैं, उत्पन्न फोटॉनों में एक तरंग दैर्ध्य भी होना चाहिए जो एक ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से यात्रा करते समय कम नुकसान और क्षीणन देगा। आजकल एकल फोटॉनों के सबसे आम स्रोत एकल अणु, राइडबर्ग परमाणु, हीरे के रंग केंद्र और क्वांटम बिंदु हैं, जिनमें से अंतिम का व्यापक रूप से अध्ययन कई शोध समूहों के प्रयासों के साथ किया जा रहा है ताकि क्वांटम बिंदुओं का एहसास किया जा सके जो फाइबर-ऑप्टिक संचार की कम हानि खिड़की में फोटॉनों के साथ कमरे के तापमान पर एकल फोटॉनों को प्रतिदीप्ति करते हैं। कई उद्देश्यों के लिए एकल फोटॉन को एंटी-बंच करने की आवश्यकता होती है, और इसे सत्यापित किया जा सकता है। धुंधला लेजर पहला और सबसे आसान स्रोतों में से एक इसकी तीव्रता को कम करने के लिए एक पारंपरिक लेजर बीम को कम करके बनाया गया था और इस तरह प्रति पल्स औसत फोटॉन संख्या। चूँकि फोटॉन आँकड़े एक पॉइसन वितरण का अनुसरण करते हैं, इसलिए एक बनाम दो या दो से अधिक फोटॉनों के उत्सर्जन के लिए एक अच्छी तरह से परिभाषित प्रायिकता अनुपात के साथ स्रोत प्राप्त कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, शून्य फोटॉन के लिए 90 प्रतिशत, एक फोटॉन के लिए 9 प्रतिशत और एक से अधिक फोटॉन के लिए 1 प्रतिशत की संभावना होती है। हालाँकि इस तरह के स्रोत का उपयोग कुछ अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है, लेकिन इसमें दूसरे क्रम की तीव्रता सहसंबंध कार्य है जो एक के बराबर है (कोई एंटीबंचिंग नहीं)। हालाँकि, कई अनुप्रयोगों के लिए, एंटीबंचिंग की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए क्वांटम क्रिप्टोग्राफी में। दो निम्न-ऊर्जा वाले फोटॉन बनाने के लिए एकल उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन का उपयोग करके एकल फोटॉन के जोड़े अत्यधिक सहसंबद्ध अवस्थाओं में उत्पन्न किए जा सकते हैं। परिणामी जोड़ी से एक फोटॉन का पता दूसरे को 'हेराल्ड' करने के लिए लगाया जा सकता है (इसलिए इसकी स्थिति का पता लगाने से पहले अच्छी तरह से जाना जाता है जब तक कि दो फोटॉन अवस्था अलग हो जाती है, अन्यथा 'हेराल्डिंग' एक मिश्रित स्थिति में फोटॉन को हेराल्ड करता है)। दोनों फोटॉनों को आम तौर पर समान तरंग दैर्ध्य की आवश्यकता नहीं है, लेकिन कुल ऊर्जा और परिणामी ध्रुवीकरण को उत्पादन प्रक्रिया द्वारा परिभाषित किया जाता है। फोटॉनों के ऐसे जोड़े के लिए गहरी रुचि का एक क्षेत्र क्वांटम कुंजी वितरण है। घोषित एकल-फोटॉन स्रोतों का उपयोग क्वांटम यांत्रिकी में मौलिक भौतिकी नियमों की जांच करने के लिए भी किया जाता है। सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले दो प्रकार के हेराल्डेड सिंगल-फोटॉन स्रोत हैंः स्पॉन्टेनियस पैरामीट्रिक डाउन-कन्वर्जन और स्पॉन्टेनियस फोर-वेव मिक्सिंग। पहले स्रोत की रेखा-चौड़ाई लगभग टीएचजेड है और दूसरे स्रोत की रेखा-चौड़ाई लगभग मेगाहर्ट्ज या संकीर्ण है। हेराल्डेड सिंगल फोटॉन का उपयोग फोटोनिक्स भंडारण और ऑप्टिकल गुहा में लोडिंग को प्रदर्शित करने के लिए किया गया है। संदर्भ ग्रंथ सूची आर. लाउडॉन, द क्वांटम थ्योरी ऑफ लाइट, ऑक्सफोर्ड यूनिवर्सिटी प्रेस, तीसरा संस्करण (2000)। प्रकाश स्रोत फोटोनिक्स में अनुवादित