Single-photon source
سنگل فوٹون ذرائع روشنی کے ذرائع ہیں جو روشنی کو واحد ذرات یا فوٹون کے طور پر خارج کرتے ہیں۔ یہ ذرائع مربوط روشنی کے ذرائع (لیزرز) اور تھرمل روشنی کے ذرائع جیسے تاپدیپت روشنی کے بلب سے الگ ہیں۔ ہائزن برگ کا غیر یقینی اصول یہ حکم دیتا ہے کہ ایک ایسی حالت پیدا نہیں کی جا سکتی جس میں ایک ہی تعدد کے فوٹونوں کی صحیح تعداد ہو۔ تاہم، فوک اسٹیٹس (یا نمبر اسٹیٹس) کا مطالعہ ایک ایسے نظام کے لیے کیا جا سکتا ہے جہاں برقی میدان کا طول و عرض ایک تنگ بینڈوڈتھ پر تقسیم ہوتا ہے۔ اس تناظر میں، ایک واحد فوٹون ماخذ مؤثر طریقے سے ایک فوٹون نمبر کی حالت کو جنم دیتا ہے۔ ایک مثالی سنگل فوٹون ماخذ سے فوٹوون کوانٹم مکینیکل خصوصیات کی نمائش کرتے ہیں۔ ان خصوصیات میں فوٹون اینٹی پنچنگ شامل ہے، تاکہ دو مسلسل فوٹونوں کے درمیان کا وقت کبھی بھی کسی کم از کم قدر سے کم نہ ہو۔ اس رویے کا مظاہرہ عام طور پر بیم اسپلٹر کا استعمال کرتے ہوئے تقریبا آدھے واقعے والے فوٹونوں کو ایک برفانی تودے کے فوٹوڈیوڈ کی طرف، اور آدھے کو ایک سیکنڈ کی طرف بھیجنے کے لیے کیا جاتا ہے۔ ایک ڈٹیکٹر کی دالوں کا استعمال تیز الیکٹرانک ٹائمر کو 'کاؤنٹر اسٹارٹ' سگنل فراہم کرنے کے لیے کیا جاتا ہے، اور دوسرا، معروف تعداد میں نینو سیکنڈ کی تاخیر سے، 'کاؤنٹر اسٹاپ' سگنل فراہم کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ 'اسٹارٹ' اور 'اسٹاپ' سگنلز کے درمیان کے اوقات کی بار بار پیمائش کرکے، کوئی بھی دو فوٹونوں اور اتفاق شمار کے درمیان وقت کی تاخیر کا ہسٹوگرام بنا سکتا ہے-اگر بنچنگ نہیں ہو رہی ہے، اور فوٹون واقعی اچھی طرح سے فاصلے پر ہیں، تو صفر تاخیر کے ارد گرد ایک واضح نشان نظر آتا ہے۔ اگرچہ سنگل فوٹون کا تصور پلانک نے 1900 کے اوائل میں پیش کیا تھا، لیکن 1974 تک ایک حقیقی سنگل فوٹون ماخذ الگ تھلگ نہیں بنایا گیا تھا۔ یہ پارے کے ایٹموں کے اندر ایک جھرن منتقلی کا استعمال کرکے حاصل کیا گیا تھا۔ انفرادی ایٹم جھرن کی منتقلی میں مختلف تعدد پر دو فوٹون خارج کرتے ہیں اور روشنی کو سپیکٹرم فلٹر کرکے ایک فوٹون کے مشاہدے کو دوسرے کو 'ہیرالڈ' کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ان واحد فوٹونوں کے مشاہدے کی خصوصیت 1956 کے مشہور ہینبری براؤن اور ٹوئس تجربے کی طرح بیم اسپلیٹر کی دو آؤٹ پٹ بندرگاہوں پر اس کا مخالف تعلق تھا۔ ایک اور سنگل فوٹون ماخذ 1977 میں آیا جس نے سوڈیم ایٹموں کے ایک کم شدہ بیم سے فلوروسینس کا استعمال کیا۔ سوڈیم ایٹموں کی ایک بیم کو کم کیا گیا تھا تاکہ کسی بھی ایک وقت میں مشاہدہ شدہ فلوروسینس تابکاری میں ایک یا دو سے زیادہ ایٹموں کا تعاون نہ ہو۔ اس طرح، صرف واحد اخراج کرنے والے روشنی پیدا کر رہے تھے اور مشاہدہ شدہ فلوروسینس نے خصوصیت اینٹی پنچنگ کو ظاہر کیا۔ 1980 کی دہائی کے وسط میں آئن ٹریپس کے ساتھ انفرادی ایٹموں کی علیحدگی جاری رہی۔ ایک واحد آئن کو ریڈیو فریکوئنسی پال ٹریپ میں طویل مدت (10 منٹ) تک رکھا جا سکتا ہے اس طرح یہ متعدد سنگل فوٹونوں کے واحد اخراج کنندہ کے طور پر کام کرتا ہے جیسا کہ ڈائیڈرچ اور والتھر کے تجربات میں ہوتا ہے۔ ایک ہی وقت میں پیرامیٹرک ڈاؤن کنورژن کا غیر لکیری عمل استعمال ہونا شروع ہوا اور اس کے بعد سے آج تک یہ واحد فوٹون کی ضرورت والے تجربات کا ورک ہارس بن گیا ہے۔ خوردبین میں پیش رفت 1980 کی دہائی کے آخر میں واحد مالیکیولز کی علیحدگی کا باعث بنی۔ اس کے بعد، پی-ٹرفینائل کرسٹل میں واحد پینٹیسین مالیکیولز کا پتہ چلا۔ واحد مالیکیولز کو سنگل فوٹون ذرائع کے طور پر استعمال کرنا شروع کر دیا گیا ہے۔ اکیسویں صدی کے اندر مختلف ٹھوس حالت کے مواد میں نقائص کے مراکز ابھر کر سامنے آئے ہیں، خاص طور پر ڈائمنڈ، سلکان کاربائڈ اور بوران نائٹرائڈ۔ سب سے زیادہ مطالعہ شدہ عیب ہیرے میں نائٹروجن خالی جگہ (این وی) مراکز ہیں جو واحد فوٹون کے ذریعہ کے طور پر استعمال ہوتے تھے۔ یہ ذرائع مالیکیولز کے ساتھ روشنی کی مضبوط بندش (آئینے، مائیکرو ریسونٹرز، آپٹیکل فائبر، ویو گائیڈز وغیرہ) کا استعمال کر سکتے ہیں۔ این وی مراکز کے اخراج کو بڑھانا۔ نیز این وی مراکز اور مالیکیولز، کوانٹم ڈاٹس (کیو ڈیز)، آپٹیکل اینٹینا میں پھنسے ہوئے کوانٹم ڈاٹس، فعال کاربن نینو ٹیوبز، اور دو جہتی مواد بھی سنگل فوٹون کا اخراج کر سکتے ہیں اور انہیں اسی سیمی کنڈکٹر مواد سے بنایا جا سکتا ہے جو روشنی کو محدود کرنے والے ڈھانچے ہیں۔ یہ بات قابل ذکر ہے کہ 1,550 این ایم کی ٹیلی کام طول موج پر واحد فوٹون ذرائع فائبر آپٹک مواصلات میں بہت اہم ہیں اور وہ زیادہ تر انڈیم آرسینائڈ کیو ڈی ہیں۔ تاہم، نظر آنے والے واحد فوٹون ذرائع سے ڈاؤن کنورژن کوانٹم انٹرفیس بنا کر، کوئی بھی محفوظ اینٹی پنچنگ کے ساتھ 1,550 این ایم پر واحد فوٹون بنا سکتا ہے۔ انتہائی تعامل کرنے والے ریڈبرگ کی سطحوں پر ایٹموں اور محرکات کو پرجوش کرنا نام نہاد ناکہ بندی کے حجم پر ایک سے زیادہ محرک کو روکتا ہے۔ لہذا چھوٹے ایٹم اینسمبلز یا کرسٹل میں ریڈبرگ کا جوش ایک واحد فوٹون ایمیٹرز کے طور پر کام کر سکتا ہے۔ تعریف کوانٹم تھیوری میں، فوٹون مقداری برقی مقناطیسی تابکاری کو بیان کرتے ہیں۔ خاص طور پر، فوٹون برقی مقناطیسی میدان کے نارمل موڈ کا ایک ابتدائی محرک ہے۔ اس طرح ایک واحد فوٹون حالت تابکاری موڈ کی کوانٹم حالت ہے جس میں ایک ہی محرک ہوتا ہے۔ واحد تابکاری کے طریقوں کو دیگر مقداروں کے علاوہ برقی مقناطیسی تابکاری کی تعدد سے نشان زد کیا جاتا ہے جسے وہ بیان کرتے ہیں۔ تاہم، کوانٹم آپٹکس میں، سنگل فوٹون ریاستیں سنگل فریکوئنسی (مونوکرومیٹک) تابکاری کے طریقوں کی ریاضیاتی سپرپوزیشن کا بھی حوالہ دیتی ہیں۔ یہ تعریف اتنی عام ہے کہ اس میں فوٹون لہر کے پیکٹ، یعنی تابکاری کی ریاستیں شامل ہیں جو جگہ اور وقت میں کسی حد تک مقامی ہیں۔ سنگل فوٹون ذرائع سنگل فوٹون ریاستیں پیدا کرتے ہیں جیسا کہ اوپر بیان کیا گیا ہے۔ دوسرے لفظوں میں، مثالی سنگل فوٹون ذرائع فوٹون نمبر کی تقسیم کے ساتھ تابکاری پیدا کرتے ہیں جس کا اوسط ایک اور تغیر صفر ہوتا ہے۔ خصوصیات ایک مثالی سنگل فوٹون ماخذ 100% امکان کے ساتھ سنگل فوٹون ریاستیں اور 0 ٪ امکان کے ساتھ آپٹیکل ویکیوم یا ملٹی فوٹون ریاستیں پیدا کرتا ہے۔ حقیقی دنیا کے سنگل فوٹون ذرائع کی مطلوبہ خصوصیات میں کارکردگی، مضبوطی، عمل درآمد میں آسانی اور آن ڈیمانڈ نوعیت، یعنی من مانی طور پر منتخب کردہ اوقات میں سنگل فوٹون پیدا کرنا شامل ہیں۔ سنگل فوٹون ذرائع بشمول سنگل ایمیٹرز جیسے سنگل ایٹم، آئنز اور مالیکیولز، اور بشمول سالڈ اسٹیٹ ایمیٹرز جیسے کوانٹم ڈاٹس، کلر سینٹرز اور کاربن نینو ٹیوبز آن ڈیمانڈ ہیں۔ فی الحال، بہت سے فعال نینو میٹریلز ہیں جو واحد کوانٹم اخراج کاروں میں تیار کیے گئے ہیں جہاں ان کے بے ساختہ اخراج کو ڈائی الیکٹرک نینو اسٹرکچرز میں نظری حالتوں کی مقامی کثافت کو تبدیل کرکے ٹیون کیا جا سکتا ہے۔ ڈائی الیکٹرک نینو اسٹرکچرز عام طور پر ہیٹرو اسٹرکچرز کے اندر ڈیزائن کیے جاتے ہیں تاکہ روشنی کے مادے کے تعامل کو بڑھایا جا سکے، اور اس طرح ان واحد فوٹون ذرائع کی کارکردگی کو مزید بہتر بنایا جا سکے۔ ماخذ کی ایک اور قسم غیر متعین ذرائع پر مشتمل ہے، یعنی، طلب پر نہیں، اور ان میں کمزور لیزرز، جوہری جھرنوں اور پیرامیٹرک ڈاؤن کنورژن جیسی مثالیں شامل ہیں۔ ماخذ کی واحد فوٹون نوعیت کو دوسرے درجے کے ارتباط فنکشن کا استعمال کرتے ہوئے شمار کیا جا سکتا ہے۔ مثالی سنگل فوٹون ذرائع دکھاتے ہیں اور اچھے سنگل فوٹون ذرائع چھوٹے ہوتے ہیں۔ دوسرے درجے کے ارتباط فنکشن کو ہینبری-براؤن-ٹوئس اثر کا استعمال کرتے ہوئے ماپا جا سکتا ہے۔ اقسام ایک واحد فوٹون کی نسل اس وقت ہوتی ہے جب کوئی ماخذ آپٹیکل یا برقی طور پر پرجوش ہونے کے بعد اپنی فلوروسینس لائف ٹائم میں صرف ایک فوٹون بناتا ہے۔ ایک مثالی سنگل فوٹون ماخذ ابھی تخلیق ہونا باقی ہے۔ یہ دیکھتے ہوئے کہ اعلی معیار کے سنگل فوٹون ماخذ کے لیے اہم ایپلی کیشنز کوانٹم کلیدی تقسیم، کوانٹم ریپیٹر اور کوانٹم انفارمیشن سائنس ہیں، پیدا ہونے والے فوٹونوں کی طول موج بھی ہونی چاہیے جو آپٹیکل فائبر کے ذریعے سفر کرتے وقت کم نقصان اور تخفیف دے گی۔ آج کل سنگل فوٹون کے سب سے عام ذرائع سنگل مالیکیولز، ریڈبرگ ایٹمز، ڈائمنڈ کلر سینٹرز اور کوانٹم ڈاٹس ہیں، جن میں سے آخری کا وسیع پیمانے پر بہت سے تحقیقی گروپوں کی کوششوں سے مطالعہ کیا گیا ہے تاکہ کوانٹم ڈاٹس کا ادراک کیا جا سکے جو فائبر آپٹک مواصلات کی کم نقصان والی ونڈو میں فوٹون کے ساتھ کمرے کے درجہ حرارت پر سنگل فوٹون کو فلوروس کرتے ہیں۔ بہت سے مقاصد کے لیے سنگل فوٹون کو اینٹی بنچڈ ہونے کی ضرورت ہوتی ہے، اور اس کی تصدیق کی جا سکتی ہے۔ پہلے اور آسان ترین ذرائع میں سے ایک روایتی لیزر بیم کو اس کی شدت کو کم کرنے کے لیے کم کرکے بنایا گیا تھا اور اس طرح فی پلس اوسط فوٹون نمبر۔ چونکہ فوٹون کے اعداد و شمار پوسن کی تقسیم کی پیروی کرتے ہیں اس لیے کوئی بھی ایک بمقابلہ دو یا زیادہ فوٹون کے اخراج کے لیے اچھی طرح سے طے شدہ امکان کے تناسب کے ساتھ ذرائع حاصل کر سکتا ہے۔ مثال کے طور پر 0.1 کی اوسط قدر صفر فوٹون کے لیے 90 فیصد، ایک فوٹون کے لیے 9 فیصد اور ایک سے زیادہ فوٹون کے لیے 1 فیصد کے امکان کی طرف لے جاتی ہے۔ اگرچہ اس طرح کے ماخذ کو بعض ایپلی کیشنز کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، لیکن اس میں دوسرے درجے کی شدت کا ارتباط فنکشن ایک کے برابر ہوتا ہے (کوئی اینٹی پنچنگ نہیں)۔ تاہم بہت سی ایپلی کیشنز کے لیے، اینٹی پنچنگ کی ضرورت ہوتی ہے، مثال کے طور پر کوانٹم کرپٹوگرافی میں۔ ہیرالڈڈ سنگل فوٹون ایک ہی فوٹون کے جوڑے انتہائی مربوط حالتوں میں ایک ہی اعلی توانائی والے فوٹون کے استعمال سے دو کم توانائی والے فوٹوون بنانے کے لیے پیدا کیے جا سکتے ہیں۔ نتیجے میں بننے والے جوڑے سے ایک فوٹون کا پتہ دوسرے کو 'ہیرالڈ' کرنے کے لیے لگایا جا سکتا ہے (اس لیے اس کی حالت کا پتہ لگانے سے پہلے اچھی طرح سے جانا جاتا ہے جب تک کہ دو فوٹون کی حالت الگ ہو، بصورت دیگر 'ہیرالڈنگ' فوٹون کو مخلوط حالت میں ہیرالڈ کرتا ہے)۔ دونوں فوٹونوں کو عام طور پر ایک ہی طول موج کی ضرورت نہیں ہے، لیکن کل توانائی اور اس کے نتیجے میں پولرائزیشن کی وضاحت نسل کے عمل سے کی جاتی ہے۔ فوٹون کے ایسے جوڑوں کے لیے گہری دلچسپی کا ایک شعبہ کوانٹم کلیدی تقسیم ہے۔ کوانٹم میکانکس میں طبیعیات کے بنیادی قوانین کی جانچ پڑتال کے لیے بھی ہیرالڈڈ سنگل فوٹون ذرائع استعمال کیے جاتے ہیں۔ عام طور پر استعمال ہونے والے دو قسم کے ہیرالڈڈ سنگل فوٹون ذرائع ہیں: بے ساختہ پیرامیٹرک ڈاؤن کنورژن اور بے ساختہ چار لہر کا اختلاط۔ پہلے ماخذ کی لکیر کی چوڑائی ٹی ایچ زیڈ کے ارد گرد ہوتی ہے اور دوسرے کی لکیر کی چوڑائی میگاہرٹز کے ارد گرد یا تنگ ہوتی ہے۔ ہیرالڈڈ سنگل فوٹون کو فوٹوونکس اسٹوریج اور آپٹیکل کیوٹی میں لوڈنگ کا مظاہرہ کرنے کے لیے استعمال کیا گیا ہے۔ حوالہ جات کتابیات آر لاؤڈن، روشنی کا کوانٹم تھیوری،: آکسفورڈ یونیورسٹی پریس، تیسرا ایڈیشن (2000)۔ لائٹ سورس فوٹوونکس میں ترجمہ کیا گیا