सिंगल-फोटॉन स्रोत

सिंगल-फोटॉन स्रोत प्रकाश स्रोत होते हैं जो प्रकाश को एकल कणों या फोटॉन के रूप में उत्सर्जित करते हैं। ये स्रोत सुसंगतता (भौतिकी) प्रकाश स्रोत ( लेज़र ) और तापदीप्त प्रकाश बल्ब जैसे तापीय प्रकाश स्रोतों से अलग हैं। हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत यह निर्धारित करता है कि एक आवृत्ति के फोटोन की स्पष्ट संख्या वाला स्थान नहीं बनाया जा सकता है। चूँकि फॉक अवस्था (या संख्या अवस्था) का अध्ययन उस प्रणाली के लिए किया जा सकता है जहां एक संकीर्ण बैंडविड्थ पर विद्युत क्षेत्र आयाम वितरित किया जाता है। इस संदर्भ में, एक एकल-फोटॉन स्रोत प्रभावी रूप से एक-फोटॉन संख्या स्थिति को जन्म देता है। एक आदर्श एकल-फोटॉन स्रोत से फोटॉन क्वांटम यांत्रिकी विशेषताओं का प्रदर्शन करते हैं। इन विशेषताओं में फोटॉन प्रतिबंचिंग सम्मिलित है, जिससे दो क्रमिक फोटॉनों के बीच का समय कभी भी किसी न्यूनतम मान से कम न होता हो।

इस व्यवहार को सामान्यतः एक हिमस्खलन फोटोडायोड की ओर आधे घटना फोटॉनों को निर्देशित करने के लिए बीम स्प्लिटर का उपयोग करके प्रदर्शित किया जाता है, और आधे को एक सेकंड की ओर निर्देशित किया जाता है। एक संसूचक से निकलने वाली पल्स का उपयोग एक तेज इलेक्ट्रॉनिक टाइमर को 'काउंटर स्टार्ट' संकेत प्रदान करने के लिए किया जाता है, और दूसरे, नैनोसेकंड की ज्ञात संख्या से विलंबित, 'काउंटर स्टॉप' संकेत प्रदान करने के लिए उपयोग किया जाता है। बार-बार 'प्रारंभ' और 'बंद' संकेतों के बीच के समय को मापकर, दो फोटॉन और संयोग गणना के बीच समय की देरी का हिस्टोग्राम बना सकते हैं- यदि बंचिंग नहीं हो रही है, और फोटॉन वास्तव में अच्छी तरह से दूरी पर हैं, शून्य विलंब के आसपास एक स्पष्ट निशान दिखाई दे रहा है।

इतिहास
यद्यपि एक फोटॉन की अवधारणा मैक्स प्लैंक द्वारा 1900 की प्रारंभ में प्रस्तावित की गई थी, 1974 तक एक सच्चा एकल-फोटॉन स्रोत अलगाव में नहीं बनाया गया था। यह पारा परमाणुओं के अंदर एक कैस्केड संक्रमण का उपयोग करके प्राप्त किया गया था। अलग-अलग परमाणु कैस्केड संक्रमण में अलग-अलग आवृत्तियों पर दो फोटॉन उत्सर्जित करते हैं और प्रकाश को वर्णक्रमीय रूप से फ़िल्टर करके एक फोटॉन का अवलोकन दूसरे को 'हेराल्ड' करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। 1956 के प्रसिद्ध हनबरी ब्राउन और ट्विस प्रभाव के समान विधि से बीम्सप्लिटर के दो आउटपुट पोर्ट्स पर इन एकल फोटॉन के अवलोकन को इसके एंटीकोर्सलेशन द्वारा चित्रित किया गया था।

1977 में एक और एकल-फोटॉन स्रोत आया जिसने सोडियम परमाणुओं के एक क्षीण बीम से प्रतिदीप्ति का उपयोग किया। सोडियम परमाणुओं के एक बीम को क्षीण किया गया था जिससे एक या दो से अधिक परमाणुओं ने किसी भी समय प्रतिदीप्ति विकिरण में योगदान नहीं दिया। इस तरह, केवल एकल उत्सर्जक प्रकाश उत्पन्न कर रहे थे और देखे गए फ्लोरोसेंस ने विशेषता एंटीबंचिंग दिखाया। 1980 के दशक के मध्य में आयन जाल के साथ अलग-अलग परमाणुओं का अलगाव जारी रहा। एक एकल आयन एक विस्तारित अवधि (10 मिनट) के लिए एक रेडियो आवृत्ति पॉल ट्रैप में रखा जा सकता है, इस प्रकार डिडरिच और वाल्थर के प्रयोगों के रूप में कई एकल फोटॉन के एकल उत्सर्जक के रूप में कार्य करता है। उसी समय पैरामीट्रिक डाउन रूपांतरण की गैर-रैखिक प्रक्रिया का उपयोग किया जाने लगा और तब से लेकर आज तक यह एकल फोटॉन की आवश्यकता वाले प्रयोगों का वर्कहॉर्स बन गया है।

माइक्रोस्कोपी में प्रगति के कारण 1980 के दशक के अंत में एकल अणुओं का अलगाव हुआ। इसके बाद, पी-टेरफेनिल क्रिस्टल में एकल पेंटासीन अणुओं का पता चला एकल अणुओं का उपयोग एकल फोटॉन स्रोतों के रूप में किया जाने लगा है।

21वीं सदी के अंदर विभिन्न ठोस अवस्था पदार्थो में दोष केंद्र उभरे हैं, सबसे विशेष रूप से हीरा, सिलिकॉन कार्बाइड और बोरॉन नाइट्राइड सबसे अधिक अध्ययन किया गया दोष नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र है। हीरे में नाइट्रोजन रिक्ति (एनवी) केंद्र जो एकल फोटॉन के स्रोत के रूप में उपयोग किया गया था। एनवी केंद्रों के उत्सर्जन को बढ़ाने के लिए अणुओं के साथ ये स्रोत प्रकाश के शक्तिशाली परिसीमन (दर्पण, माइक्रोरेसोनेटर्स, ऑप्टिकल फाइबर, वेवगाइड्स, आदि) का उपयोग कर सकते हैं। साथ ही NV केंद्र और अणु, क्वांटम डॉट्स (क्यूडी), क्वांटम डॉट सिंगल-फोटॉन स्रोत ऑप्टिकल एंटीना में फंस गया, कार्यात्मक कार्बन नैनोट्यूब,  और द्वि-आयामी पदार्थ       एकल फोटॉन भी उत्सर्जित कर सकते हैं और उसी अर्धचालक पदार्थ से प्रकाश-सीमित संरचनाओं के रूप में निर्मित किया जा सकता है। यह नोट किया गया है कि 1,550 एनएम के टेलीकॉम तरंग दैर्ध्य पर सिंगल फोटॉन स्रोत फाइबर-ऑप्टिक संचार में बहुत महत्वपूर्ण हैं और वे ज्यादातर इंडियम आर्सेनाइड क्यूडी हैं।

चूँकि दृश्य एकल फोटॉन स्रोतों से डाउनकनवर्ज़न क्वांटम इंटरफ़ेस बनाकर कोई भी संरक्षित एंटीबंचिंग के साथ 1,550 एनएम पर सिंगल फोटॉन बना सकता है। अत्यधिक अंतःक्रियात्मक रिडबर्ग स्तरों के लिए रोमांचक परमाणु और उत्तेजना तथाकथित रिडबर्ग मात्रा पर एक से अधिक उत्तेजना को रोकता है। इसलिए एक छोटे परमाणु पहनावा में रिडबर्ग उत्तेजना या क्रिस्टल एक फोटॉन उत्सर्जक के रूप में कार्य कर सकता है।

परिभाषा
क्वांटम सिद्धांत में, फोटॉन परिमाणीकरण (भौतिकी) विद्युत चुम्बकीय विकिरण का वर्णन करते हैं। विशेष रूप से, एक फोटॉन विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के सामान्य मोड का प्राथमिक उत्तेजना है। इस प्रकार एकल-फोटॉन अवस्था एक विकिरण विधा की क्वांटम अवस्था है जिसमें एकल उत्तेजन होता है।

एकल विकिरण मोड, अन्य मात्राओं के बीच, उनके द्वारा वर्णित विद्युत चुम्बकीय विकिरण की आवृत्ति द्वारा लेबल किए जाते हैं। चूँकि, क्वांटम प्रकाशिकी में, सिंगल-फोटॉन अवस्था सिंगल-आवृत्ति ( वर्णक्रमीय रंग ) विकिरण मोड्स के गणितीय क्वांटम सुपरइम्पोजिशन को भी संदर्भित करते हैं। यह परिभाषा फोटॉन वेव पैकेट अर्थात विकिरण की अवस्थाओं को सम्मिलित करने के लिए पर्याप्त सामान्य है जो अंतरिक्ष और समय में कुछ सीमा तक स्थानीयकृत हैं।

एकल-फ़ोटॉन स्रोत ऊपर वर्णित अनुसार एकल-फ़ोटॉन अवस्थाएँ उत्पन्न करते हैं। दूसरे शब्दों में, आदर्श एकल-फोटॉन स्रोत एक फोटॉन आँकड़ों के साथ विकिरण उत्पन्न करते हैं। फोटॉन-संख्या वितरण जिसका माध्य एक और प्रसरण शून्य होता है।

विशेषताएं
एक आदर्श-एकल फोटॉन स्रोत 100% संभाव्यता के साथ एकल-फ़ोटॉन अवस्थाएँ और 0% प्रायिकता के साथ ऑप्टिकल वैक्यूम या बहु-फ़ोटॉन अवस्थाएँ उत्पन्न करता है। वास्तविक दुनिया के एकल-फोटॉन स्रोतों के वांछनीय गुणों में दक्षता, शक्ति, कार्यान्वयन में आसानी और ऑन-डिमांड प्रकृति सम्मिलित है, अर्थात इच्छानुसार से चुने गए समय पर सिंगल-फोटॉन उत्पन्न करना। एकल परमाणु, आयन और अणु जैसे एकल उत्सर्जक सहित एकल-फोटॉन स्रोत, और क्वांटम डॉट, नाइट्रोजन-रिक्ति केंद्र और कार्बन नैनोट्यूब जैसे ठोस-अवस्था उत्सर्जक सम्मिलित मांग पर हैं। वर्तमान में, कई सक्रिय नैनो पदार्थ एकल क्वांटम उत्सर्जकों में इंजीनियर हैं जहां उनके सहज उत्सर्जन को डाईइलेक्ट्रिक नैनोस्ट्रक्चर में ऑप्टिकल अवस्था के स्थानीय घनत्व को बदलकर ट्यून किया जा सकता है। डाईइलेक्ट्रिक नैनोस्ट्रक्चर सामान्यतः के अंदर डिजाइन किए जाते हैं

लाइट-मैटर इंटरैक्शन को बढ़ाने के लिए हेटरोस्ट्रक्चर, और इस प्रकार इन एकल फोटॉन स्रोतों की दक्षता में और सुधार करता है। एक अन्य प्रकार के स्रोत में गैर-नियतात्मक स्रोत सम्मिलित हैं, अर्थात मांग पर नहीं, और इनमें अशक्त लेजर, परमाणु कैस्केड और सहज पैरामीट्रिक डाउन-रूपांतरण जैसे उदाहरण सम्मिलित हैं।

किसी स्रोत की एकल-फ़ोटॉन प्रकृति को दूसरे क्रम के सहसंबंध कार्य$$g^{(2)}(\tau)$$का उपयोग करके परिमाणित किया जा सकता है। आदर्श सिंगल-फ़ोटॉन स्रोत $$g^{(2)}(0) = 0$$ दिखाते हैं और अच्छे सिंगल-फ़ोटॉन स्रोत छोटे $$g^{(2)}(0)$$ होते हैं। दूसरे क्रम के सहसंबंध समारोह को हनबरी-ब्राउन-ट्विस प्रभाव का उपयोग करके मापा जा सकता है।

प्रकार
एकल फोटॉन की पीढ़ी तब होती है जब कोई स्रोत वैकल्पिक रूप से या विद्युत रूप से उत्साहित होने के बाद अपने फ्लोरेसेंस जीवनकाल के अंदर केवल एक फोटॉन बनाता है। एक आदर्श सिंगल-फ़ोटॉन स्रोत अभी तक नहीं बनाया गया है। यह देखते हुए कि उच्च गुणवत्ता वाले एकल-फोटॉन स्रोत के लिए मुख्य अनुप्रयोग क्वांटम कुंजी वितरण, क्वांटम पुनरावर्तक हैं और क्वांटम सूचना विज्ञान, उत्पन्न फोटॉनों में एक तरंग दैर्ध्य भी होना चाहिए जो एक ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से यात्रा करते समय कम हानि और क्षीणन दे। आजकल एकल फोटॉन के सबसे समान्य स्रोत एकल अणु, रिडबर्ग परमाणु, हीरे के रंग केंद्र और क्वांटम डॉट्स, बाद में कई शोध समूहों के प्रयासों के साथ व्यापक रूप से अध्ययन किया जा रहा है जिससे क्वांटम डॉट्स का अनुभव हो सके जो फाइबर-ऑप्टिक संचार की कम हानि वाली विंडो में फोटॉनों के साथ कमरे के तापमान पर एकल फोटॉन को प्रतिदीप्त करते हैं।

कई उद्देश्यों के लिए एकल फोटॉन को गुच्छा-विरोधी होना चाहिए, और इसे सत्यापित किया जा सकता है।

बेहोश लेजर
पहले और सबसे आसान स्रोतों में से एक इसकी तीव्रता को कम करने के लिए एक पारंपरिक लेजर बीम के क्षीणन द्वारा बनाया गया था और इस प्रकार प्रति पल्स औसत फोटॉन संख्या। चूंकि फोटॉन आंकड़े एक प्वासों वितरण का अनुसरण करते हैं, इसलिए एक बनाम दो या दो से अधिक फोटॉन के उत्सर्जन के लिए एक अच्छी तरह से परिभाषित संभाव्यता अनुपात वाले स्रोत प्राप्त कर सकते हैं। उदाहरण के लिए μ = 0.1 का माध्य मान शून्य फोटॉन के लिए 90%, एक फोटॉन के लिए 9% और एक से अधिक फोटॉन के लिए 1% की संभावना की ओर ले जाता है।

चूँकि इस तरह के एक स्रोत का उपयोग कुछ अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है, इसमें एक के समान दूसरे क्रम की तीव्रता की डिग्री होती है (कोई फोटॉन एंटीबंचिंग नहीं)। चूँकि कई अनुप्रयोगों के लिए, एंटीबंचिंग की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए क्वांटम क्रिप्टोग्राफी में है ।

हेराल्ड सिंगल फोटॉन
दो निम्न-ऊर्जा फोटॉन बनाने के लिए एकल उच्च-ऊर्जा फोटॉन का उपयोग करने से अत्यधिक सहसंबद्ध अवस्था में एकल फोटॉनों के जोड़े उत्पन्न किए जा सकते हैं। परिणामी जोड़ी से एक फोटॉन को दूसरे को 'हेराल्ड' करने के लिए पता लगाया जा सकता है (इसलिए इसकी स्थिति का पता लगाने से पहले बहुत अच्छी तरह से जाना जाता है जब तक कि दो फोटॉन स्थान वियोज्य हैं, अन्यथा 'हेराल्डिंग' मिश्रित अवस्था में फोटॉन को छोड़ देता है सामान्यतः दो फोटॉनों की तरंग दैर्ध्य समान नहीं होती है, किन्तु कुल ऊर्जा और परिणामी ध्रुवीकरण को पीढ़ी प्रक्रिया द्वारा परिभाषित किया जाता है। फोटॉनों के ऐसे जोड़े के लिए गहरी रुचि का एक क्षेत्र क्वांटम कुंजी वितरण है।

क्वांटम यांत्रिकी में मौलिक भौतिकी नियमो की जांच करने के लिए हेराल्डेड सिंगल-फोटॉन स्रोतों का भी उपयोग किया जाता है। हेरलडेड एकल-फोटॉन स्रोतों के दो सामान्य रूप से उपयोग किए जाने वाले प्रकार हैं: सहज पैरामीट्रिक डाउन-रूपांतरण और सहज चार-तरंग मिश्रण पहले स्रोत में THz के आसपास लाइन-चौड़ाई है और दूसरे में मेगाहर्ट्ज या संकरी के आसपास लाइन-चौड़ाई है। हेरलडेड सिंगल फोटॉन का उपयोग ऑप्टिकल कैविटी में फोटोनिक्स स्टोरेज और लोडिंग को प्रदर्शित करने के लिए किया गया है।

ग्रन्थसूची

 * R. Loudon, The Quantum Theory of Light,:Oxford University Press, 3rd edition (2000).
 * Translated in