eng
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.3.232.246
В данном обзоре рассматриваются различные способы создания однофотонных источников (ИОФ). Ранее в первой части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(5): 376–396) обсуждались требования к однофотонным источникам и критерии их характеризации, описывались источники одиночных фотонов на основе одиночных ионов и на основе одиночных атомов. Во второй части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(8): 610–620) были рассмотрены ИОФ на квантовых точках и на центрах окраски в кристаллах. В третьей части (Photonics Russia. 2025; 19(1): 28–38) рассмотрены однофотонные источники на углеродных нанотрубках и дефектах в них (инженерия дефектов в нанотрубках), на нанокристаллах и слоистых нанокристаллах. В заключительной части рассмотрены однофотонные источники на коллективных состояниях в ансамблевых системах, на одиночных молекулах и ионах металлов в полимерной матрице, а также источники на нелинейных кристаллах.
В данном обзоре рассматриваются различные способы создания однофотонных источников (ИОФ). Ранее в первой части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(5): 376–396) обсуждались требования к однофотонным источникам и критерии их характеризации, описывались источники одиночных фотонов на основе одиночных ионов и на основе одиночных атомов. Во второй части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(8): 610–620) были рассмотрены ИОФ на квантовых точках и на центрах окраски в кристаллах. В третьей части (Photonics Russia. 2025; 19(1): 28–38) рассмотрены однофотонные источники на углеродных нанотрубках и дефектах в них (инженерия дефектов в нанотрубках), на нанокристаллах и слоистых нанокристаллах. В заключительной части рассмотрены однофотонные источники на коллективных состояниях в ансамблевых системах, на одиночных молекулах и ионах металлов в полимерной матрице, а также источники на нелинейных кристаллах.
Теги: ensemble sources ensemble systems four-wave mixing (fwm) single molecules single-photon source (sps) ансамблевые источники ансамблевые системы одиночные молекулы четырехволновое смешение
Источники одиночных фотонов. Обзор. Часть 4
В. Г. Криштоп
АО «ИнфоТеКС», Москва, Россия
Московский физико-технический институт (МФТИ), г. Долгопрудный, Моск. обл., Россия
Институт проблем технологии микроэлектроники РАН, г. Черноголовка, Моск. обл., Россия
В данном обзоре рассматриваются различные способы создания однофотонных источников (ИОФ). Ранее в первой части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(5): 376–396) обсуждались требования к однофотонным источникам и критерии их характеризации, описывались источники одиночных фотонов на основе одиночных ионов и на основе одиночных атомов. Во второй части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(8): 610–620) были рассмотрены ИОФ на квантовых точках и на центрах окраски в кристаллах. В третьей части (Photonics Russia. 2025; 19(1): 28–38) рассмотрены однофотонные источники на углеродных нанотрубках и дефектах в них (инженерия дефектов в нанотрубках), на нанокристаллах и слоистых нанокристаллах. В заключительной части рассмотрены однофотонные источники на коллективных состояниях в ансамблевых системах, на одиночных молекулах и ионах металлов в полимерной матрице, а также источники на нелинейных кристаллах.
Ключевые слова: ансамблевые системы, ансамблевые источники, одиночные молекулы, четырехволновое смешение
Статья получена: 01.08.2024
Статья принята:16.08.2024
Ансамблевые системы
Электромагнитные ловушки позволяют удерживать и исследовать как одиночные частицы, так и группы частиц – ансамбли атомов [167–169]. Были созданы однофотонные источники по требованию, которые используют коллективные возбуждения в ансамблях атомов [170–173]. Ансамбли атомов теоретически [174, 175] могут усиливать одиночное состояние фотона благодаря явлению сверхизлучения – когерентного коллективного излучения из-за наличия корреляции между фазами и амплитудами атомов в ансамбле. Атомы в ансамбле образуют коллективное когерентное состояние (т. н. состояние Дикке, подробнее [176–179]), и излучают когерентное излучение как один большой диполь.
Атомы в ансамбле имеют энергетические уровни, состоящие из двух метастабильных основных состояний |g и |u и одного возбужденного состояния |e, (Рис. 15). Все атомы сначала подвергаются оптической накачке до состояния |u. Затем слабый записывающий импульс, который соответствует переходу |u → |e, вероятностно создаёт единое коллективное возбуждение, вызывая излучение сигнального фотона на переходе |e → |g с малой вероятностью. Регистрация единственного сигнального фотона свидетельствует об успешном возбуждении. «Записывающий» лазерный импульс делается слабым, чтобы уменьшить вероятность создания более чем одного фотонно-атомно-спинового возбуждения. Затем сильный импульс считывания детерминировано возвращает одиночное возбуждение в исходное состояние, генерируя ровно один фотон на переходе |e → |u.
Для увеличения времени когерентности и повышения эффективности однофотонного излучения ансамбля одиночных атомов используются дипольные ловушки или оптические решетки. Также необходимо удовлетворить закону сохранения импульса для записывающего импульса, считывающего импульса и излучаемого фотона.
Основные усилия в области изучения квантовых ансамблей связаны с надеждой на создание квантовой памяти [180–184] и квантовых повторителей [185–187]. В настоящее время экспериментально продемонстрированное время когерентности спиновых волн атомных ансамблей Cs и Rb в несколько миллисекунд [180–182].
Интересно, что образовывать ансамбль и демонстрировать когерентные эффекты и производить однофотонное излучение могут самые различные квантовые объекты. Например, уже были экспериментально продемонстрированы квантовые ансамбли полупроводниковых квантовых точек [188], нанокристаллов алмаза [189, 190], и нанокристаллов типа core / shell / shell [191]. Также оказалось, что в квантовый ансамбль могут объединяться квантовые объекты с расстоянием между ними существенно больше длины волны [179, 192]. Относительно недавно был экспериментально продемонстрирован ансамбль одиночных атомов в волноводе с расстоянием между ними больше длины волны [193].
Одиночные молекулы.
Очень отдаленным аналогом ансамблевых систем могут выступать одиночные молекулы. Для однофотонных излучателей используются довольно сложные органические молекулы, состоящие из десятков атомов, например, хромофорсодержащие полимеры. Чтобы провести аналогию, достаточно вообразить, что атомы, из которых состоит такая молекула, составляют ансамбль квантовых частиц, в котором наличествуют необходимые коллективные возбуждения, которые могут приводить к эмиссии одиночных фотонов. Аналогичным образом, в молекулах для реализации однофотонной эмиссии используется два метастабильных уровня и одно возбужденное состояние.
Однофотонного режима излучения удалось добиться для целого ряда самых разных молекул [194]. Список органических одиночных молекул, на которых уже продемонстрировано однофотонное излучение (рис. 24): Anthracene, Pentacene, Perrylene, Terrylene, 7.8,15.16‑dibenzoterrylene (DBT), Tetra-tert-butylterrylene (TBT), r-Terphenil, 2.3,8.9‑dibenzanthanthrene (DBATT), Terrylenediimide (TDI), ZnPc, Rhodamine 6G (R6G), Oxazine 720, B-phycoerythrin (B-PE), DiIC18(3).
Однофотонная эмиссия одиночных молекул широко изучалась многими группами в твердых и жидких средах [195–198]. В том числе была экспериментально продемонстрирована работа однофотонного источника на одномолекулярной системе при комнатной температуре [199, 200], а также при электрической накачке [201].
Этот подход требует дальнейшего совершенствования для использования в практических приложениях. Помощь может прийти с неожиданной стороны: в биохимии и в биофизике развивается и находит всё более широкое применение технология «оптического пинцета», которая позволяет захватывать, перемещать и удерживать продолжительное время отдельные молекулы. Устройства-»оптические пинцеты» для биохимических исследований получают всё новые оригинальные технические решения, что приводит к более широкому их распространению и к лучшей технологичности. Оптические пинцеты уже используются в квантовых вычислителях на холодных атомах, чтобы обеспечить их контролируемое взаимодействие. Возможно, в ближайшем будущем мы увидим промышленные однофотонные источники на основе одиночной молекулы, удерживаемой в «оптическом пинцете» при комнатной температуре. Также очень технологически привлекательна идея получения однофотонных излучателей электрохимическими методами в виде раствора или суспензии.
Ионы металлов
в полимерной матрице
Определенный интерес в качестве источника одиночных фотонов представляют полимерные макромолекулы, в состав которых входит металлический ион с требуемой структурой энергетических уровней. Такие молекулы в силу своего внутреннего устройства способны самоорганизовываться в низкоразмерные (одномерные или двумерные) структуры, в которых излучающие атомы располагаются на строго определенных позициях и в точно определенном количестве [202]. Эти структуры могут размещаться на поверхности кремниевых (и других) чипов с заранее подведенной электрической разводкой или оптической системой (типа фотонных интегральных схем или микролинз), при этом нанесение активного полимерного слоя с атомными источниками излучения может быть одной из заключительных микроэлектронных операций.
Перспективными материалами являются одиночные молекулы фталоцианинов и двумерные полимерные структуры на их основе: полифталоцианины (ПФЦ, PPC – polyphthalocyanine). Молекула октацианофталоцианида имеет четырехлучевую симметрию и содержит в центре атом металла, причём это могут быть атомы самых разных металлов. При полимеризации такие молекулы могут образовывать линейные цепочки или плоский моноатомный слой, напоминающий узорчатый графен, но в отличие от графена, ПФЦ имеют не гексагональную, а четырехлучевую симметрию. В этом монослое плоского графеноподобного полимера атомы металла встроены в двумерную кристаллическую решетку в регулярном квадратном порядке на расстоянии ~1 нм друг от друга (рис. 17). Индивидуальное возбуждение таких, образно выражаясь, «атомов металла, захваченных в полимерных ловушках», может привести к однофотонному излучению. Кроме того, полифталоцианины обладают полупроводниковыми свойствами, и это очень полезно для создания электрически управляемых источников.
Уже продемонстрированы однофотонные источники на одиночных молекулах фталоцианинов, легированных различными металлами, в том числе электрически управляемые [203–204], а в работе [205] продемонстрировано однофотонное излучение линейных полифталоцианинов – линейных ансамблей фталоцианиновых молекул, легированных атомами цинка.
Очень перспективным является синтез полифталоцианинов с эрбием, а также синтез полифталоцианинов с комплексами эрбия, т. к. эрбий позволяет получить излучение вблизи 1550 нм. Люминесценция вблизи 1550 нм уже продемонстрирована при помощи молекул монофталоцианина с комплексами эрбия [206, 207], в том числе при комнатной температуре [208].
Также полимерная матрица может использоваться только для доставки оптически активного иона или атома в определённую точку микрочипа или оптической системы на этапе изготовления, с использованием возможностей самоорганизации молекул полимера. А затем органическая матрица может быть удалена химическим, оптическим или температурным способом (вжигаться, выжигаться, испаряться, растворяться, и т. д.), являясь таким образом, некоторым аналогом т. н. «жертвенного слоя», широко применяемого в микроэлектронных технологиях.
Однофотонные источники на нелинейных кристаллах. Спонтанное параметрическое рассеяние
Спонтанное параметрическое рассеяние (SPDC) – это нелинейный оптический процесс нелинейных средах, в результате которого фотон накачки расщепляется на пару коррелированных фотонов с меньшей энергией [209, 210].
Когда интенсивный лазерный пучок проходит через материал с высокой нелинейностью, происходит взаимодействие фотонов с кристаллической решеткой с нелинейной поляризацией. Большинство фотонов проходят через кристалл в неизменном виде, но часть фотонов в результате взаимодействия со средой расщепляется на пары фотонов с меньшими энергиями (сигнальный фотон и идлерный фотон). В процессе СПР выполняются законы сохранения энергии и импульса: суммарные энергия и импульс получившихся фотонов равны энергии и импульсу фотонов накачки. Эффективность процесса СПР обычно мала, поэтому с практической точки зрения можно считать, что процессы расщепления фотона происходят строго по одному.
Спонтанное параметрическое рассеяние света можно трактовать как процесс рассеяния на квантовых флуктуациях электромагнитного поля или процесс рассеяния фотона на нулевых (вакуумных) состояниях, соответствующих сигнальному и идлерному фотонам. Роль среды состоит в перемешивании разночастотных мод электромагнитного поля за счет нелинейной восприимчивости.
Схема процесса СПР показана на рис. 26. На нелинейный кристалл падает фотон накачки (pump) с частотой νp и, распространяясь в нелинейной среде, разделяется на два фотона: сигнальный (signal) с частотой νs и идлерный (idler) с частотой νi. (Терминология в русскоязычной литературе может быть достаточно вольной. К идлерному фотону применяются термины: холостой, паразитный, фотон-предвестник, объявляющий фотон, фотон оповещения, «бездельник», «пустышка», информирующий фотон, маркер, и т. д.).
С физической точки зрения сигнальный и холостой фотоны эквивалентны. В физических экспериментах сигнальным фотоном чаще считается тот, у которого частота выше, в реальных устройствах фотоны обозначаются в зависимости от назначения. Сигнальные и холостые фотоны могут иметь одинаковую или различную поляризацию (такое рассеяние называют, соответственно, СПР тип I и тип II), а также совпадать по поляризации с накачкой или отличаться от нее.
В общем случае сигнальные и холостые фотоны распространяются в двух разных направлениях, а фотоны, проходящие сквозь кристалл без изменения – в третьем направлении. Таким образом можно разделить все три типа фотонов по направлениям.
Сигнальный и идлерный фотоны, образовавшиеся в результате СПР (SPDC), являются запутанными друг с другом. На основе запутанных пар фотонов строятся однофотонные источники с оповещением (heralded single-photon sources): детектирование одного фотона из запутанной пары (на детекторе внутри устройства-источника) оповещает, что генерация второго фотона из пары произошла, и позволяет получить информацию о его состоянии.
Правильным выбором ориентации кристалла относительно кристаллических оптических осей можно организовать испускание сигнальных и холостых фотонов таким образом, чтобы оба испускаемых фотона были одинаковой частоты и / или испускались в одном направлении. Так строят источники пар запутанных фотонов.
До недавнего времени предполагалось, что пара испускаемых фотонов рождается в одной точке, в рамках ограничений квантовой неопределенности. Недавно был обнаружен нелокализованный механизм создания коррелированных пар фотонов в СПР, и показано, что фотоны, составляющие запутанную пару, могут излучаться из пространственно разделенных точек [212, 213].
Какие нужны кристаллы для СПР?
Для эффективной реализации понижающего преобразования в параметрических нелинейных кристаллах требуется высокий коэффициент нелинейности. Это позволяет генерировать большое количество запутанных фотонов. Нелинейность кристалла может заметно меняться в зависимости от температуры и давления, поэтому в рабочем режиме следует обеспечить заданные условия со стабильной температурой и давлением. В то же время, можно управлять температурой или давлением для точной подстройки параметров кристалла или периода доменной структуры.
Оптическая анизотропия. СПР эффективно в средах без центра инверсии, чаще всего это кристаллы без центра симметрии. Нелинейный кристалл имеет разные показатели преломления вдоль разных кристаллографических осей.
Для эффективного нелинейного взаимодействия кристалл должен иметь высокое оптическое качество и быть оптически прозрачным (иметь низкое поглощение) на всех трех частотах: на частоте накачки и на частотах сигнальных и идлерных фотонов. Чтобы организовать СПР (SPDC) в кристалле, необходимо правильно настроить условия эксперимента, такие как длина волны оптической накачки, угол фазового согласования и толщина кристалла.
В качестве накачки используется мощный лазер, который имеет достаточную энергию, чтобы вызвать нелинейное взаимодействие в материале. Как правило, требуется довольно высокая плотность мощности излучения накачки; кристалл должен иметь высокий порог оптического повреждения, чтобы выдерживать высокую плотность мощности без разрушения.
Чаще всего используются такие нелинейные кристаллы, как ниобат лития LiNbO3 (NL), триборат лития LiB3O5 (LBO), дигидроортофосфат калия KH2PO4 (KDP), бета-борат бария BaB2O4 (BBO).
На первый взгляд кажется, что для более эффективной генерации фотонов достаточно взять кристаллы большего размера, чтобы увеличить оптический путь, на длине которого происходит нелинейное взаимодействие. Однако, условие фазового синхронизма нарушается уже на довольно коротких дистанциях из-за дисперсии оптических волн в среде, что приводит к деструктивной интерференции и уменьшению эффективности преобразования. Чтобы избежать деструктивной интерференции, в кристалле вдоль пути распространения луча накачки формируется периодическая структура из сегнетоэлектрических доменов (областей с различной поляризацией и, соответственно, периодической пространственной модуляцией нелинейности), чтобы фазовое соотношение между входными и генерируемыми фотонами оставалось постоянным по всей длине кристалла для эффективного нелинейного преобразования входных фотонов. Период доменной структуры рассчитывается, чтобы выполнить условия фазового синхронизма для используемых длин волн, что позволяет увеличить длину взаимодействия и организовать конструктивную интерференцию [214]. Использование периодически поляризованных кристаллов позволяет существенно увеличить эффективность СПР, но в то же время налагает дополнительные требования к стабильности температуры и давления в кристалле.
Один из недостатков процесса СПР (SPDC) – конечная (хотя и крайне малая) вероятность многофотонных событий, хотя ситуация намного лучше, чем с источниками, основанными на линейном ослаблении лазерных импульсов, для которых вероятности многофотонных событий намного выше.
Четырехволновое смешение
(four-wave mixing – FWM)
Четырехволновое смешение представляет собой другую схему генерации однофотонного излучения в нелинейной среде. В процессе смешения два фотона накачки преобразуются в сигнальный и холостой фотоны. Для этого среда должна обладать нелинейностью третьего порядка. Как и процесс SPDC, четырехволновое смешение требует выполнения условий фазового синхронизма. Однако, в отличие от SPDC, который может происходить как в объеме, так и в волноводах, четырехволновое смешение обычно демонстрируется только в волноводах, входящих в состав интегральных оптических схем, поскольку требуется высокая плотность мощности.
Источники на основе волноводов, как правило, имеют большую вероятность генерации пар фотонов, чем объемные источники, из-за меньшего количества взаимодействующих мод. Источники фотонов на основе четырехволнового смешения позволяют получать яркость порядка 1 МГц.
Четырехволновое смешение в квантово-оптическом режиме применяется в квантовых коммуникациях для генерации одиночных фотонов [215], коррелированных пар фотонов [216, 217], сжатого света [218, 219] и запутанных фотонов [220].
Заключение
В заключении следует отметить, что существует широкое многообразие способов реализации однофотонных источников, все эти способы изучены и проработаны в различной степени. Многие из них реализованы только в виде научного эксперимента, хотя уже существует ряд коммерчески доступных однофотонных источников.
С точки зрения нарастающей необходимости однофотонных источников сегодня в серийно выпускаемых системах КРК, наиболее перспективными выглядят источники, работающие без жидкого охлаждения, позволяющие организовать электрическую накачку и излучение «по требованию». Применение в волоконных системах накладывает дополнительное требование работы источника на частоте, соответствующей телекоммуникационным окнам прозрачности оптоволокна (это диапазоны около 1 310 нм и около 1 550 нм). Развитие технологий фотонных интегральных схем (ФИС) позволит обойтись без неудобного требования именно электрического управления, и подводить оптическое излучение накачки непосредственно в нужную точку интегральной схемы методами интегральной фотоники.
В этом смысле наиболее перспективными выглядят различные центры окраски в алмазе и других материалах (напр. кремний, нитрид и карбид бора). Пока не удалось найти центр окраски, эффективно излучающий в телекоммуникационном диапазоне. Ведутся исследования по преобразованию частоты одиночных фотонов, а также поиск новых центров окраски в новых материалах. В настоящее время идёт разработка систем КРК для атмосферного и космического сегментов, и требования по частоте излучения для них сильно отличаются; они определяются, например, окнами прозрачности атмосферы или спектром излучения солнца. Для применения в открытом пространстве центры окраски могут пригодиться.
Некоторые полупроводниковые квантовые точки также способны работать при комнатной температуре, но их качественное изготовление требует дорогостоящих и трудоемких прецизионных технологий, таких как молекулярно-пучковая эпитаксия, а шумовые характеристики при высоких температурах всё равно оставляют желать лучшего.
Также перспективными могут быть источники с оповещением на основе нелинейных материалов, но существует ряд технических трудностей при применении нелинейных материалов для этой задачи. Основная трудность – это очень невысокая эффективность преобразования. Малая эффективность влечет за собой необходимость увеличивать интенсивность накачки и размеры кристалла. При больших размерах кристалла требуется создавать в кристалле периодическую структуру с «вмороженной» поляризацией (например, PPLN – periodically poled lithium niobat), которая позволяет организовать конструктивную интерференцию на длине оптического пути луча в кристалле. И после этого на первый план вылезает проблема существенного изменения локальных характеристик кристалла при воздействии интенсивного излучения, что приводит к смещению частоты, на которой реализуется эта самая конструктивная интерференция, относительно частоты накачки, и опять к ухудшению эффективности преобразования. И несмотря на объявленные крайне привлекательные научные результаты, этот «порочный круг» довольно трудно разорвать, и серийно производимых источников пока немного.
Если же рассмотреть более широкие задачи более далекого будущего, для которых могут пригодиться однофотонные источники, то первым делом следует упомянуть тот факт, что в настоящее время интенсивно исследуются и разрабатываются квантовые вычислители на различных физических принципах. Приоритетные направления: вычислители на одиночных ионах и атомах, на сверхпроводящих кубитах, на фотонных чипах, и всякие разные другие и прочие. В качестве косвенного бонуса, это развитие приводит к быстрому совершенствованию экспериментальных техник по управлению отдельными квантовыми объектами в самых разных условиях, в том числе при низких и сверхнизких температурах, в том числе в вакууме, и т. д. и. т.п. Но наиболее важно то, что на горизонте уже вырисовывается необходимость обмена квантовой информацией внутри квантовых вычислителей и между различными квантовыми вычислителями, в том числе находящимися на расстоянии, и эту задачу уже требуется удерживать во внимании. Для этого, вероятно, было бы наиболее эффективно организовать транспорт квантовых состояний с помощью однофотонных источников на тех же самых квантовых объектах, на которых этот вычислитель и построен. Такое обустройство взаимодействия квантовых вычислителей посредством непосредственного обмена квантовыми состояниями с целью передачи и преобразования информации сейчас принято называть «квантовым интернетом». По всей видимости, источники на холодных атомах и одиночных ионах сыграют свою существенную роль в реализации квантового интернета, несмотря на все технические трудности при экспериментальной реализации.
После всего вышесказанного, остаются разные «темные лошадки» в этой однофотонной гонке – это ансамблевые и электрохимические подходы к организации однофотонной эмиссии. Степень проработанности технологии в этом случае намного ниже, но в то же время есть довольно далёкие на текущий момент надежды, что статистические многочастичные подходы к квантовым системам скоро могут принести неожиданные и яркие прорывы в науке и технологии, и в конечном счете смогут оказаться эффективнее традиционных детерминистских практик. Отметим также, что экспериментальные подходы в этих областях тоже быстро развиваются, благодаря смежным задачам из других областей науки: ансамблевые системы активно исследуются с целью создания квантовой памяти и квантовых повторителей, а электрохимические методы синтеза нанокристаллов развиваются благодаря медицинским применениям, например, диагностика рака с помощью апконверсионных наночастиц или адресная доставка лекарств с помощью транспортных нанокристаллов.
Исследования однофотонного излучения и его источников уже позволили сделать множество фундаментальных открытий и существенно повлиять на развитие фундаментальной и прикладной науки, технологий, и общества. Но в квантовых коммуникациях и квантовой криптографии самое интересное, конечно же, впереди.
REFERENCES
Ансамблевые системы
Ensemble systems
М. К. Есеев, И. Н. Мешков. Ловушки для накопления заряженных частиц и античастиц в прецизионных экспериментах. Успехи физических наук, 2016, Т. 186, № 3, cc. 321–335. https://doi.org/10.3367/UFNr.0186.201603f.0321
M. K. Eseev, I. N. Meshkov. Traps for storing charged particles and antiparticles in high-precision experiments, Physics-Uspekhi, 2016, vol. 59, no. 3, pp. 304–317.
https://doi.org/10.3367/UFNe.0186.201603f.0321
F. G. Major, V. N. Gheorghe, G. Werth. Charged Particle Traps: Physics and Techniques of Charged Particle Field Confinement. Springer-Verlag Berlin, 2005. https://doi.org/10.1007/b137836
G. Werth, V. N. Gheorghe, F. G. Major. Charged Particle Traps II: Applications. Berlin: Springer, 2009. https://doi.org/10.1007/978-3-540-92261-2
C. W. Chou, S. V. Polyakov, A. Kuzmich, H. J. Kimble. Single-Photon Generation from Stored Excitation in an Atomic Ensemble». Phys. Rev. Lett., 2004, 92, 213601. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.213601
D. N. Matsukevich, T. Chaneliere, S. D. Jenkins, S.-Y. Lan, T. A. B. Kennedy, A. Kuzmich. Deterministic Single Photons via Conditional Quantum Evolution». Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 013601. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.013601
C. H. van der Wal, M. D. Eisaman, A. Andre, R. L. Walsworth, D. F. Philips, A. S. Zibrov, M. D. Lukin. Atomic Memory for Correlated Photon States. Science, 2003, 301, 196. http://dx.doi.org/10.1126/science.1085946
A. Kuzmich, W. P. Bowen, A. D. Boozer, A. Boca, C. W. Chou, L.-M. Duan, and H. J. Kimble. Generation of nonclassical photon pairs for scalable quantum communication with atomic ensembles». Nature, 2003, 423, 731. http://dx.doi.org/10.1038/nature01714
T. Bienaimé, N. Piovella, R. Kaiser. Controlled Dicke Subradiance from a Large Cloud of Two-Level Systems. Phys. Rev. Lett., 2012, 108, 123602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.123602
B. Jing. Interaction between Single Photons and Atomic Ensembles. In: Quantum Network with Multiple Cold Atomic Ensembles. Springer Theses. Springer, Singapore 2022. https://doi.org/10.1007/978-981-19-0328-1_2
Состояния Дикке
Dicke states
R. H. Dicke. Coherence in Spontaneous Radiation Processes, Phys. Rev., 1954, 93, 99. https://doi.org/10.1103/PhysRev.93.99
M. Gross, S. Haroche. Superradiance: An essay on the theory of collective spontaneous emission. Physics Reports, 1982, 93(5), 301–396. https://doi.org/10.1016/0370-1573(82)90102-8
T. Bienaimé, N. Piovella, R. Kaiser. Controlled Dicke Subradiance from a Large Cloud of Two-Level Systems. Phys. Rev. Lett., 2012, 108(12). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.123602
M. O. Scully, A. A. Svidzinsky. The Super of Superradiance, Science, 2009, 325, 1510. https://doi.org/10.1126/science.1176695
Quantum memory
Quantum memory
M. D. Eisaman, L. Childress, A. André, F. Massou, A. S. Zibrov, and M. D. Lukin. Shaping quantum pulses of light via coherent atomic memory. Phys. Rev. Lett., 2004, vol.93, no.23, 233602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.233602
R. Zhao, Y. O. Dudin, S. D. Jenkins, C. J. Campbell, D. N. Matsukevich, T. A. B. Kennedy, A. Kuzmich. Long-lived quantum memory, Nature Physics, 2009, 5, 100. https://doi.org/10.1038/nphys1152
B. Zhao, Y.-A. Chen, X.-H. Bao, T. Strassel, C.-S. Chuu, X.-M. Jin, J. Schmiedmayer, Z.-S. Yuan, S. Chen, and J.-W. Pan. A millisecond quantum memory for scalable quantum networks, Nature Physics, 2009, 5, 95. https://doi.org/10.1038/nphys1153
M. Parniak, M. Dąbrowski, M. Mazelanik, A. Leszczyński, M. Lipka, W. Wasilewski. Wavevector multiplexed atomic quantum memory via spatially-resolved single-photon detection». Nature communications, 2017, vol. 8, no. 1, p. 2140. https://doi.org/10.1038/s41467–017–02366–7
S. Chen, Y.-A. Chen, T. Strassel, Z.-S. Yuan, B. Zhao, J. Schmiedmayer, J.-W. Pan. Deterministic and Storable Single-Photon Source Based on a Quantum Memory. Phys. Rev. Lett. 2006, vol. 97, no. 17, p. 173004. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.173004
Quantum repeaters
Quantum repeaters
N. Sangouard, C. Simon, H. de Riedmatten, N. Gisin. Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics. Rev. Mod. Phys. 2011, vol. 83, no. 1, pp. 33–80. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.83.33
M. Razavi, J. Amirloo, A. H. Majedi. Quantum Key Distribution over Atomic-Ensemble Quantum Repeaters. In: Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (CD) (Optica Publishing Group, 2010), paper OWC2. https://doi.org/10.1364/OFC.2010.OWC2
T. Li, F. G. Deng. Heralded high-efficiency quantum repeater with atomic ensembles assisted by faithful single-photon transmission. Scientific Reports, 2015, 5, 15610. https://doi.org/10.1038/srep15610
Ансамблевые источники
Ensemble sources
M. Scheibner, T. Schmidt, L. Worschech, A. Forchel, G. Bacher, T. Passow, D. Hommel Superradiance of quantum dots. Nature Physics, 2007, 3 (2), 106–110. https://doi.org/10.1038/nphys494
Ахмеджанов Р. А., Гущин Л. А., Зеленский И. В., Митрофанова Т. Г., Низов В. А., Низов Н. А., Собгайда Д. А. Исследование когерентного пленения населенности и динамического эффекта Штарка в ансамблях NV-центров в алмазе при комнатной температуре в микроволновом диапазоне, Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 1. С. 65–71. http://dx.doi.org/10.21883/OS.2023.01.54539.4211-22
Akhmedzhanov R. A., Gushchin L. A., Zelensky I. V., Mitrofanova T. G., Nizov V. A., Nizov N. A., Sobgaida D. A. Study of coherent population trapping and AC Stark effect in ensembles of NV-centers in diamond at room temperature in microwave range. Optics and Spectroscopy. 2023. Т. 131. № 1. С. 62. http://dx.doi.org/10.21883/EOS.2023.01.55518.4211-22
P. Huillery, J. Leibold, T. Delord, L. Nicolas, J. Achard, A. Tallaire, G. Hétet. Coherent Microwave Control of a Nuclear Spin Ensemble at Room Temperature, Phys. Rev. B, 2021, 103, L140102. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L140102
K. Huang, K. K. Green, L. Huang, H. Hallen, G. Han, S. F. Lim. Room-temperature upconverted superfluorescence». Nature Photonics, 2002, 16, pp. 737–742. https://doi.org/10.1038/s41566-022-01060-5
W. Guerin Super- and subradiance in dilute disordered cold atomic samples: observations and interpretations», Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, 2023, vol. 72, pp. 253–296. https://doi.org/10.1016/bs.aamop.2023.04.002
R. Pennetta, M. Blaha, A. Johnson, D. Lechner, P. Schneeweiss, J. Volz, A. Rauschenbeutel. Collective Radiative Dynamics of an Ensemble of Cold Atoms Coupled to an Optical Waveguide, Phys. Rev. Lett., 2022, 128, 073601. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.073601
Одиночные молекулы
Single molecules
M. B. Gaither-Ganim, S. A. Newlon, M. G. Anderson, B. Lee. Organic molecule single-photon sources, Oxford Open Materials Science, 2023, vol. 3, issue 1, itac017. https://doi.org/10.1093/oxfmat/itac017
C. Brunel, B. Lounis, P. Tamarat, M. Orrit. Triggered Source of Single Photons based on Controlled Single Molecule Fluorescence. Phys. Rev. Lett., 1999, 83, 2722. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.2722
S. Kitson, P. Jonsson, J. Rarity, P. Tapster. Intensity fluctuation spectroscopy of small numbers of dye molecules in a microcavity». Phys. Rev. A, 1998, 58, 620. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.58.620
M. Steiner, A. Hartschuh, R. Korlacki, A. J. Meixner. Highly efficient, tunable single photon source based on single molecules. Appl. Phys. Lett., 2007, 90, 183122. http://dx.doi.org/10.1063/1.2736294
A. Kiraz, M. Ehrl, T. Hellerer, O. E. Mustecaplioglu, C. Brauchle, A. Zumbusch. Indistinguishable Photons from a Single Molecule. Phys. Rev. Lett., 2005, 94, 223602. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.223602
B. Lounis, W. E. Moerner. Single photons on demand from a single molecule at room temperature. Nature, 2000, 407, 491. http://dx.doi.org/10.1038/35035032
L. Fleury, J. Segura, G. Zumofen, B. Hecht, U. Wild, Nonclassical Photon Statistics in Single-Molecule Fluorescence at Room Temperature. Phys. Rev. Lett., 2000, 84, 1148. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.1148
M. Nothaft, S. Höhla, F. Jelezko, N. Frühauf, J. Pflaum, J. Wrachtrup. Electrically driven photon antibunching from a single molecule at room temperature». Nature Communications, 2012, 3, 628. https://doi.org/10.1038/ncomms1637
Ионы металлов в полимерной матрице
Metal ions in the polymer matrix
V. I. Korepanov, D. M. Sedlovets. Recent Advances in 2D Polymeric Phthalocyanines: Synthesis, Characterization, Applications and New Challenges. Macroheterocycles, 2019, 12(3), 232–243. https://doi.org/10.6060/mhc190864s
L. Zhang, Y.-J. Yu, L.-G. Chen, Y. Luo, B. Yang, F.-F. Kong, G. Chen, Y. Zhang, Q. Zhang, Y. Luo, J.-L. Yang, Z.-C. Dong, J. G. Hou. Electrically driven single-photon emission from an isolated single molecule. Nature Communications, 2017, vol. 8(1), 580. https://doi.org/10.1038/s41467-017-00681-7
R. A. Escalante, M. C. Mathpal, C. Ruiz-Tagle, V. H. Alvarado, F. Pinto, L. J. Martínez, L. Gence, G. Garcia, I. A. González, J. R. Maze. Photophysics of a single quantum emitter based on vanadium phthalocyanine molecules. Optics Express, 2024, vol. 32, issue 17, pp. 29447–29457. https://doi.org/10.1364/OE.527703
Y. Luo, G. Chen, Y. Zhang, L. Zhang, Y. Yu, F. Kong, X. Tian, Y. Zhang, C. Shan, Y. Luo, J. Yang, V. Sandoghdar, Z. Dong, J. G. Hou. Electrically Driven Single-Photon Superradiance from Molecular Chains in a Plasmonic Nanocavity. Phys. Rev. Lett., 2019, 122(23). https://doi.org/10.1103/physrevlett.122.233901
Shuhui Bo, Jin Hu, Qi Wang, Xinhou Liua, Zhen Zhen. Near-infrared luminescence properties of erbium complexes with the substituted phthalocyaninato ligands. Photochemical & Photobiological Sciences, 2008, Vol. 7, pp. 474–479. https://doi.org/10.1039/b715809b
I. A. Belogorokhov, L. I. Belogorokhova, Yu. V. Ryabchikov, V. E. Pushkarev. Luminescent Properties of Composite Systems Based on Polystyrene and Erbium(III) Phthalocyaninates in Near IR Spectral Region. Biomedical Chemistry: Research and Methods, 2018, vol. 1, no. 3, e00029. https://doi.org/10.18097/BMCRM00029
G. L. Pakhomov. Luminescence of Phthalocyanine Thin Films, Physics of the Solid State, 2005, 47(1), 170. https://doi.org/10.1134/1.1853471
Однофотонные источники на основе спонтанного параметрического рассеяния
Single-photon sources based on the spontaneous parametric scattering
A. Zavatta, S. Viciani, M. Bellini. Tomographic reconstruction of the single-photon Fock state by high-frequency homodyne detection. Phys. Rev. A 2004, 70(5), 053821. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.70.053821
S. P. Walborn, C. H. Monken, S. Pádua, P. H. Souto Ribeiro. Spatial correlations in parametric down-conversion. Physics Reports 2010, 495(4–5), pp. 87–139. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2010.06.003
Г. Г. Левин, А. А. Самойленко, К. Н. Миньков, Д. Д. Ружицкая. Расчет параметров источника бифотонного излучения в широком диапазоне длин волн. Оптика и спектроскопия, 2018, т. 125, вып. 6. https://doi.org/10.21883/OS.2018.12.46942.32-18,
G. G. Levin, A. A. Samoylenko, K. N. Min’kov, D. D. Ruzhitskaya. Calculating the Parameters of the Biphoton Radiation Source in a Wide Wavelength Range, Nonlinear optics, 2018, vol.125, pp. 997–1002. https://doi.org/10.1134/S0030400X18120123
K. A. Forbes, J. S. Ford, D. L. Andrews. Nonlocalized Generation of Correlated Photon Pairs in Degenerate Down-Conversion. Phys. Rev. Lett., 2017, 118 (13), 133602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.133602
K. A. Forbes, J. S. Ford, G. A. Jones, D. L. Andrews. Quantum delocalization in photon-pair generation. Phys. Rev. A, 2017, 96 (2), 023850. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.96.023850
D. H. Jundt, G. A. Magel, M. M. Fejer, R. L. Byer. Periodically poled LiNbO3 for high-efficiency second-harmonic generation. Appl. Phys. Lett., 1991, 59(21), 2657–2659. https://doi.org/10.1063/1.105929
Однофотонные источники на основе четырехволнового смешения
Single-photon sources based on the four-wave mixing
B. Fan, Z. Duan, L. Zhou, C. Yuan, Z. Y. Ou, W. Zhang. Generation of a single-photon source via a four-wave mixing process in a cavity. Phys. Rev. A, 2009, 80(6): 063809. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.80.063809
J. E. Sharping, M. Fiorentino, A. Coker, P. Kumar, R. S. Windeler. Four-wave mixing in microstructure fiber. Optics Letters, 2001, 26(14), 1048–1050. https://doi.org/10.1364/OL.26.001048
L. J. Wang, C. K. Hong, S. R. Friberg. Generation of correlated photons via four-wave mixing in optical fibres. Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics, 2001, 3(5), 346. https://doi.org/10.1088/1464-4266/3/5/F311
R. E. Slusher, B. Yurke, P. Grangier, A. LaPorta, D. F. Walls, M. Reid. Squeezed-light generation by four-wave mixing near an atomic resonance. JOSA B., 1987, 4(10), 1453–1464. https://doi.org/10.1364/JOSAB.4.001453
A. Dutt, K. Luke, S. Manipatruni, A. I. Gaeta, P. Nussenzveig, M. Lipson, On-Chip Optical Squeezing. Phys. Rev. Appl., 2015, 3(4), 044005. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.3.044005
H. Takesue, K. Inoue. Generation of polarization-entangled photon pairs and violation of Bell’s inequality using spontaneous four-wave mixing in a fiber loop. Phys. Rev. A, 2004, 70 (3), 031802. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.70.031802
Об АВТОРЕ
Криштоп Владимир Григорьевич; к.ф.-м.н.; e-mail: vladimir.krishtop@infotecs.ru; АО «ИнфоТеКС», Москва; Московский физико-технический институт (МФТИ, Физтех), г. Долгопрудный, Моск. обл.; Институт проблем технологии микроэлектроники РАН, г. Черноголовка, Моск. обл., Russia
ORCID: 0000-0001-6063-2657
В. Г. Криштоп
АО «ИнфоТеКС», Москва, Россия
Московский физико-технический институт (МФТИ), г. Долгопрудный, Моск. обл., Россия
Институт проблем технологии микроэлектроники РАН, г. Черноголовка, Моск. обл., Россия
В данном обзоре рассматриваются различные способы создания однофотонных источников (ИОФ). Ранее в первой части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(5): 376–396) обсуждались требования к однофотонным источникам и критерии их характеризации, описывались источники одиночных фотонов на основе одиночных ионов и на основе одиночных атомов. Во второй части обзора (Photonics Russia. 2024; 18(8): 610–620) были рассмотрены ИОФ на квантовых точках и на центрах окраски в кристаллах. В третьей части (Photonics Russia. 2025; 19(1): 28–38) рассмотрены однофотонные источники на углеродных нанотрубках и дефектах в них (инженерия дефектов в нанотрубках), на нанокристаллах и слоистых нанокристаллах. В заключительной части рассмотрены однофотонные источники на коллективных состояниях в ансамблевых системах, на одиночных молекулах и ионах металлов в полимерной матрице, а также источники на нелинейных кристаллах.
Ключевые слова: ансамблевые системы, ансамблевые источники, одиночные молекулы, четырехволновое смешение
Статья получена: 01.08.2024
Статья принята:16.08.2024
Ансамблевые системы
Электромагнитные ловушки позволяют удерживать и исследовать как одиночные частицы, так и группы частиц – ансамбли атомов [167–169]. Были созданы однофотонные источники по требованию, которые используют коллективные возбуждения в ансамблях атомов [170–173]. Ансамбли атомов теоретически [174, 175] могут усиливать одиночное состояние фотона благодаря явлению сверхизлучения – когерентного коллективного излучения из-за наличия корреляции между фазами и амплитудами атомов в ансамбле. Атомы в ансамбле образуют коллективное когерентное состояние (т. н. состояние Дикке, подробнее [176–179]), и излучают когерентное излучение как один большой диполь.
Атомы в ансамбле имеют энергетические уровни, состоящие из двух метастабильных основных состояний |g и |u и одного возбужденного состояния |e, (Рис. 15). Все атомы сначала подвергаются оптической накачке до состояния |u. Затем слабый записывающий импульс, который соответствует переходу |u → |e, вероятностно создаёт единое коллективное возбуждение, вызывая излучение сигнального фотона на переходе |e → |g с малой вероятностью. Регистрация единственного сигнального фотона свидетельствует об успешном возбуждении. «Записывающий» лазерный импульс делается слабым, чтобы уменьшить вероятность создания более чем одного фотонно-атомно-спинового возбуждения. Затем сильный импульс считывания детерминировано возвращает одиночное возбуждение в исходное состояние, генерируя ровно один фотон на переходе |e → |u.
Для увеличения времени когерентности и повышения эффективности однофотонного излучения ансамбля одиночных атомов используются дипольные ловушки или оптические решетки. Также необходимо удовлетворить закону сохранения импульса для записывающего импульса, считывающего импульса и излучаемого фотона.
Основные усилия в области изучения квантовых ансамблей связаны с надеждой на создание квантовой памяти [180–184] и квантовых повторителей [185–187]. В настоящее время экспериментально продемонстрированное время когерентности спиновых волн атомных ансамблей Cs и Rb в несколько миллисекунд [180–182].
Интересно, что образовывать ансамбль и демонстрировать когерентные эффекты и производить однофотонное излучение могут самые различные квантовые объекты. Например, уже были экспериментально продемонстрированы квантовые ансамбли полупроводниковых квантовых точек [188], нанокристаллов алмаза [189, 190], и нанокристаллов типа core / shell / shell [191]. Также оказалось, что в квантовый ансамбль могут объединяться квантовые объекты с расстоянием между ними существенно больше длины волны [179, 192]. Относительно недавно был экспериментально продемонстрирован ансамбль одиночных атомов в волноводе с расстоянием между ними больше длины волны [193].
Одиночные молекулы.
Очень отдаленным аналогом ансамблевых систем могут выступать одиночные молекулы. Для однофотонных излучателей используются довольно сложные органические молекулы, состоящие из десятков атомов, например, хромофорсодержащие полимеры. Чтобы провести аналогию, достаточно вообразить, что атомы, из которых состоит такая молекула, составляют ансамбль квантовых частиц, в котором наличествуют необходимые коллективные возбуждения, которые могут приводить к эмиссии одиночных фотонов. Аналогичным образом, в молекулах для реализации однофотонной эмиссии используется два метастабильных уровня и одно возбужденное состояние.
Однофотонного режима излучения удалось добиться для целого ряда самых разных молекул [194]. Список органических одиночных молекул, на которых уже продемонстрировано однофотонное излучение (рис. 24): Anthracene, Pentacene, Perrylene, Terrylene, 7.8,15.16‑dibenzoterrylene (DBT), Tetra-tert-butylterrylene (TBT), r-Terphenil, 2.3,8.9‑dibenzanthanthrene (DBATT), Terrylenediimide (TDI), ZnPc, Rhodamine 6G (R6G), Oxazine 720, B-phycoerythrin (B-PE), DiIC18(3).
Однофотонная эмиссия одиночных молекул широко изучалась многими группами в твердых и жидких средах [195–198]. В том числе была экспериментально продемонстрирована работа однофотонного источника на одномолекулярной системе при комнатной температуре [199, 200], а также при электрической накачке [201].
Этот подход требует дальнейшего совершенствования для использования в практических приложениях. Помощь может прийти с неожиданной стороны: в биохимии и в биофизике развивается и находит всё более широкое применение технология «оптического пинцета», которая позволяет захватывать, перемещать и удерживать продолжительное время отдельные молекулы. Устройства-»оптические пинцеты» для биохимических исследований получают всё новые оригинальные технические решения, что приводит к более широкому их распространению и к лучшей технологичности. Оптические пинцеты уже используются в квантовых вычислителях на холодных атомах, чтобы обеспечить их контролируемое взаимодействие. Возможно, в ближайшем будущем мы увидим промышленные однофотонные источники на основе одиночной молекулы, удерживаемой в «оптическом пинцете» при комнатной температуре. Также очень технологически привлекательна идея получения однофотонных излучателей электрохимическими методами в виде раствора или суспензии.
Ионы металлов
в полимерной матрице
Определенный интерес в качестве источника одиночных фотонов представляют полимерные макромолекулы, в состав которых входит металлический ион с требуемой структурой энергетических уровней. Такие молекулы в силу своего внутреннего устройства способны самоорганизовываться в низкоразмерные (одномерные или двумерные) структуры, в которых излучающие атомы располагаются на строго определенных позициях и в точно определенном количестве [202]. Эти структуры могут размещаться на поверхности кремниевых (и других) чипов с заранее подведенной электрической разводкой или оптической системой (типа фотонных интегральных схем или микролинз), при этом нанесение активного полимерного слоя с атомными источниками излучения может быть одной из заключительных микроэлектронных операций.
Перспективными материалами являются одиночные молекулы фталоцианинов и двумерные полимерные структуры на их основе: полифталоцианины (ПФЦ, PPC – polyphthalocyanine). Молекула октацианофталоцианида имеет четырехлучевую симметрию и содержит в центре атом металла, причём это могут быть атомы самых разных металлов. При полимеризации такие молекулы могут образовывать линейные цепочки или плоский моноатомный слой, напоминающий узорчатый графен, но в отличие от графена, ПФЦ имеют не гексагональную, а четырехлучевую симметрию. В этом монослое плоского графеноподобного полимера атомы металла встроены в двумерную кристаллическую решетку в регулярном квадратном порядке на расстоянии ~1 нм друг от друга (рис. 17). Индивидуальное возбуждение таких, образно выражаясь, «атомов металла, захваченных в полимерных ловушках», может привести к однофотонному излучению. Кроме того, полифталоцианины обладают полупроводниковыми свойствами, и это очень полезно для создания электрически управляемых источников.
Уже продемонстрированы однофотонные источники на одиночных молекулах фталоцианинов, легированных различными металлами, в том числе электрически управляемые [203–204], а в работе [205] продемонстрировано однофотонное излучение линейных полифталоцианинов – линейных ансамблей фталоцианиновых молекул, легированных атомами цинка.
Очень перспективным является синтез полифталоцианинов с эрбием, а также синтез полифталоцианинов с комплексами эрбия, т. к. эрбий позволяет получить излучение вблизи 1550 нм. Люминесценция вблизи 1550 нм уже продемонстрирована при помощи молекул монофталоцианина с комплексами эрбия [206, 207], в том числе при комнатной температуре [208].
Также полимерная матрица может использоваться только для доставки оптически активного иона или атома в определённую точку микрочипа или оптической системы на этапе изготовления, с использованием возможностей самоорганизации молекул полимера. А затем органическая матрица может быть удалена химическим, оптическим или температурным способом (вжигаться, выжигаться, испаряться, растворяться, и т. д.), являясь таким образом, некоторым аналогом т. н. «жертвенного слоя», широко применяемого в микроэлектронных технологиях.
Однофотонные источники на нелинейных кристаллах. Спонтанное параметрическое рассеяние
Спонтанное параметрическое рассеяние (SPDC) – это нелинейный оптический процесс нелинейных средах, в результате которого фотон накачки расщепляется на пару коррелированных фотонов с меньшей энергией [209, 210].
Когда интенсивный лазерный пучок проходит через материал с высокой нелинейностью, происходит взаимодействие фотонов с кристаллической решеткой с нелинейной поляризацией. Большинство фотонов проходят через кристалл в неизменном виде, но часть фотонов в результате взаимодействия со средой расщепляется на пары фотонов с меньшими энергиями (сигнальный фотон и идлерный фотон). В процессе СПР выполняются законы сохранения энергии и импульса: суммарные энергия и импульс получившихся фотонов равны энергии и импульсу фотонов накачки. Эффективность процесса СПР обычно мала, поэтому с практической точки зрения можно считать, что процессы расщепления фотона происходят строго по одному.
Спонтанное параметрическое рассеяние света можно трактовать как процесс рассеяния на квантовых флуктуациях электромагнитного поля или процесс рассеяния фотона на нулевых (вакуумных) состояниях, соответствующих сигнальному и идлерному фотонам. Роль среды состоит в перемешивании разночастотных мод электромагнитного поля за счет нелинейной восприимчивости.
Схема процесса СПР показана на рис. 26. На нелинейный кристалл падает фотон накачки (pump) с частотой νp и, распространяясь в нелинейной среде, разделяется на два фотона: сигнальный (signal) с частотой νs и идлерный (idler) с частотой νi. (Терминология в русскоязычной литературе может быть достаточно вольной. К идлерному фотону применяются термины: холостой, паразитный, фотон-предвестник, объявляющий фотон, фотон оповещения, «бездельник», «пустышка», информирующий фотон, маркер, и т. д.).
С физической точки зрения сигнальный и холостой фотоны эквивалентны. В физических экспериментах сигнальным фотоном чаще считается тот, у которого частота выше, в реальных устройствах фотоны обозначаются в зависимости от назначения. Сигнальные и холостые фотоны могут иметь одинаковую или различную поляризацию (такое рассеяние называют, соответственно, СПР тип I и тип II), а также совпадать по поляризации с накачкой или отличаться от нее.
В общем случае сигнальные и холостые фотоны распространяются в двух разных направлениях, а фотоны, проходящие сквозь кристалл без изменения – в третьем направлении. Таким образом можно разделить все три типа фотонов по направлениям.
Сигнальный и идлерный фотоны, образовавшиеся в результате СПР (SPDC), являются запутанными друг с другом. На основе запутанных пар фотонов строятся однофотонные источники с оповещением (heralded single-photon sources): детектирование одного фотона из запутанной пары (на детекторе внутри устройства-источника) оповещает, что генерация второго фотона из пары произошла, и позволяет получить информацию о его состоянии.
Правильным выбором ориентации кристалла относительно кристаллических оптических осей можно организовать испускание сигнальных и холостых фотонов таким образом, чтобы оба испускаемых фотона были одинаковой частоты и / или испускались в одном направлении. Так строят источники пар запутанных фотонов.
До недавнего времени предполагалось, что пара испускаемых фотонов рождается в одной точке, в рамках ограничений квантовой неопределенности. Недавно был обнаружен нелокализованный механизм создания коррелированных пар фотонов в СПР, и показано, что фотоны, составляющие запутанную пару, могут излучаться из пространственно разделенных точек [212, 213].
Какие нужны кристаллы для СПР?
Для эффективной реализации понижающего преобразования в параметрических нелинейных кристаллах требуется высокий коэффициент нелинейности. Это позволяет генерировать большое количество запутанных фотонов. Нелинейность кристалла может заметно меняться в зависимости от температуры и давления, поэтому в рабочем режиме следует обеспечить заданные условия со стабильной температурой и давлением. В то же время, можно управлять температурой или давлением для точной подстройки параметров кристалла или периода доменной структуры.
Оптическая анизотропия. СПР эффективно в средах без центра инверсии, чаще всего это кристаллы без центра симметрии. Нелинейный кристалл имеет разные показатели преломления вдоль разных кристаллографических осей.
Для эффективного нелинейного взаимодействия кристалл должен иметь высокое оптическое качество и быть оптически прозрачным (иметь низкое поглощение) на всех трех частотах: на частоте накачки и на частотах сигнальных и идлерных фотонов. Чтобы организовать СПР (SPDC) в кристалле, необходимо правильно настроить условия эксперимента, такие как длина волны оптической накачки, угол фазового согласования и толщина кристалла.
В качестве накачки используется мощный лазер, который имеет достаточную энергию, чтобы вызвать нелинейное взаимодействие в материале. Как правило, требуется довольно высокая плотность мощности излучения накачки; кристалл должен иметь высокий порог оптического повреждения, чтобы выдерживать высокую плотность мощности без разрушения.
Чаще всего используются такие нелинейные кристаллы, как ниобат лития LiNbO3 (NL), триборат лития LiB3O5 (LBO), дигидроортофосфат калия KH2PO4 (KDP), бета-борат бария BaB2O4 (BBO).
На первый взгляд кажется, что для более эффективной генерации фотонов достаточно взять кристаллы большего размера, чтобы увеличить оптический путь, на длине которого происходит нелинейное взаимодействие. Однако, условие фазового синхронизма нарушается уже на довольно коротких дистанциях из-за дисперсии оптических волн в среде, что приводит к деструктивной интерференции и уменьшению эффективности преобразования. Чтобы избежать деструктивной интерференции, в кристалле вдоль пути распространения луча накачки формируется периодическая структура из сегнетоэлектрических доменов (областей с различной поляризацией и, соответственно, периодической пространственной модуляцией нелинейности), чтобы фазовое соотношение между входными и генерируемыми фотонами оставалось постоянным по всей длине кристалла для эффективного нелинейного преобразования входных фотонов. Период доменной структуры рассчитывается, чтобы выполнить условия фазового синхронизма для используемых длин волн, что позволяет увеличить длину взаимодействия и организовать конструктивную интерференцию [214]. Использование периодически поляризованных кристаллов позволяет существенно увеличить эффективность СПР, но в то же время налагает дополнительные требования к стабильности температуры и давления в кристалле.
Один из недостатков процесса СПР (SPDC) – конечная (хотя и крайне малая) вероятность многофотонных событий, хотя ситуация намного лучше, чем с источниками, основанными на линейном ослаблении лазерных импульсов, для которых вероятности многофотонных событий намного выше.
Четырехволновое смешение
(four-wave mixing – FWM)
Четырехволновое смешение представляет собой другую схему генерации однофотонного излучения в нелинейной среде. В процессе смешения два фотона накачки преобразуются в сигнальный и холостой фотоны. Для этого среда должна обладать нелинейностью третьего порядка. Как и процесс SPDC, четырехволновое смешение требует выполнения условий фазового синхронизма. Однако, в отличие от SPDC, который может происходить как в объеме, так и в волноводах, четырехволновое смешение обычно демонстрируется только в волноводах, входящих в состав интегральных оптических схем, поскольку требуется высокая плотность мощности.
Источники на основе волноводов, как правило, имеют большую вероятность генерации пар фотонов, чем объемные источники, из-за меньшего количества взаимодействующих мод. Источники фотонов на основе четырехволнового смешения позволяют получать яркость порядка 1 МГц.
Четырехволновое смешение в квантово-оптическом режиме применяется в квантовых коммуникациях для генерации одиночных фотонов [215], коррелированных пар фотонов [216, 217], сжатого света [218, 219] и запутанных фотонов [220].
Заключение
В заключении следует отметить, что существует широкое многообразие способов реализации однофотонных источников, все эти способы изучены и проработаны в различной степени. Многие из них реализованы только в виде научного эксперимента, хотя уже существует ряд коммерчески доступных однофотонных источников.
С точки зрения нарастающей необходимости однофотонных источников сегодня в серийно выпускаемых системах КРК, наиболее перспективными выглядят источники, работающие без жидкого охлаждения, позволяющие организовать электрическую накачку и излучение «по требованию». Применение в волоконных системах накладывает дополнительное требование работы источника на частоте, соответствующей телекоммуникационным окнам прозрачности оптоволокна (это диапазоны около 1 310 нм и около 1 550 нм). Развитие технологий фотонных интегральных схем (ФИС) позволит обойтись без неудобного требования именно электрического управления, и подводить оптическое излучение накачки непосредственно в нужную точку интегральной схемы методами интегральной фотоники.
В этом смысле наиболее перспективными выглядят различные центры окраски в алмазе и других материалах (напр. кремний, нитрид и карбид бора). Пока не удалось найти центр окраски, эффективно излучающий в телекоммуникационном диапазоне. Ведутся исследования по преобразованию частоты одиночных фотонов, а также поиск новых центров окраски в новых материалах. В настоящее время идёт разработка систем КРК для атмосферного и космического сегментов, и требования по частоте излучения для них сильно отличаются; они определяются, например, окнами прозрачности атмосферы или спектром излучения солнца. Для применения в открытом пространстве центры окраски могут пригодиться.
Некоторые полупроводниковые квантовые точки также способны работать при комнатной температуре, но их качественное изготовление требует дорогостоящих и трудоемких прецизионных технологий, таких как молекулярно-пучковая эпитаксия, а шумовые характеристики при высоких температурах всё равно оставляют желать лучшего.
Также перспективными могут быть источники с оповещением на основе нелинейных материалов, но существует ряд технических трудностей при применении нелинейных материалов для этой задачи. Основная трудность – это очень невысокая эффективность преобразования. Малая эффективность влечет за собой необходимость увеличивать интенсивность накачки и размеры кристалла. При больших размерах кристалла требуется создавать в кристалле периодическую структуру с «вмороженной» поляризацией (например, PPLN – periodically poled lithium niobat), которая позволяет организовать конструктивную интерференцию на длине оптического пути луча в кристалле. И после этого на первый план вылезает проблема существенного изменения локальных характеристик кристалла при воздействии интенсивного излучения, что приводит к смещению частоты, на которой реализуется эта самая конструктивная интерференция, относительно частоты накачки, и опять к ухудшению эффективности преобразования. И несмотря на объявленные крайне привлекательные научные результаты, этот «порочный круг» довольно трудно разорвать, и серийно производимых источников пока немного.
Если же рассмотреть более широкие задачи более далекого будущего, для которых могут пригодиться однофотонные источники, то первым делом следует упомянуть тот факт, что в настоящее время интенсивно исследуются и разрабатываются квантовые вычислители на различных физических принципах. Приоритетные направления: вычислители на одиночных ионах и атомах, на сверхпроводящих кубитах, на фотонных чипах, и всякие разные другие и прочие. В качестве косвенного бонуса, это развитие приводит к быстрому совершенствованию экспериментальных техник по управлению отдельными квантовыми объектами в самых разных условиях, в том числе при низких и сверхнизких температурах, в том числе в вакууме, и т. д. и. т.п. Но наиболее важно то, что на горизонте уже вырисовывается необходимость обмена квантовой информацией внутри квантовых вычислителей и между различными квантовыми вычислителями, в том числе находящимися на расстоянии, и эту задачу уже требуется удерживать во внимании. Для этого, вероятно, было бы наиболее эффективно организовать транспорт квантовых состояний с помощью однофотонных источников на тех же самых квантовых объектах, на которых этот вычислитель и построен. Такое обустройство взаимодействия квантовых вычислителей посредством непосредственного обмена квантовыми состояниями с целью передачи и преобразования информации сейчас принято называть «квантовым интернетом». По всей видимости, источники на холодных атомах и одиночных ионах сыграют свою существенную роль в реализации квантового интернета, несмотря на все технические трудности при экспериментальной реализации.
После всего вышесказанного, остаются разные «темные лошадки» в этой однофотонной гонке – это ансамблевые и электрохимические подходы к организации однофотонной эмиссии. Степень проработанности технологии в этом случае намного ниже, но в то же время есть довольно далёкие на текущий момент надежды, что статистические многочастичные подходы к квантовым системам скоро могут принести неожиданные и яркие прорывы в науке и технологии, и в конечном счете смогут оказаться эффективнее традиционных детерминистских практик. Отметим также, что экспериментальные подходы в этих областях тоже быстро развиваются, благодаря смежным задачам из других областей науки: ансамблевые системы активно исследуются с целью создания квантовой памяти и квантовых повторителей, а электрохимические методы синтеза нанокристаллов развиваются благодаря медицинским применениям, например, диагностика рака с помощью апконверсионных наночастиц или адресная доставка лекарств с помощью транспортных нанокристаллов.
Исследования однофотонного излучения и его источников уже позволили сделать множество фундаментальных открытий и существенно повлиять на развитие фундаментальной и прикладной науки, технологий, и общества. Но в квантовых коммуникациях и квантовой криптографии самое интересное, конечно же, впереди.
REFERENCES
Ансамблевые системы
Ensemble systems
М. К. Есеев, И. Н. Мешков. Ловушки для накопления заряженных частиц и античастиц в прецизионных экспериментах. Успехи физических наук, 2016, Т. 186, № 3, cc. 321–335. https://doi.org/10.3367/UFNr.0186.201603f.0321
M. K. Eseev, I. N. Meshkov. Traps for storing charged particles and antiparticles in high-precision experiments, Physics-Uspekhi, 2016, vol. 59, no. 3, pp. 304–317.
https://doi.org/10.3367/UFNe.0186.201603f.0321
F. G. Major, V. N. Gheorghe, G. Werth. Charged Particle Traps: Physics and Techniques of Charged Particle Field Confinement. Springer-Verlag Berlin, 2005. https://doi.org/10.1007/b137836
G. Werth, V. N. Gheorghe, F. G. Major. Charged Particle Traps II: Applications. Berlin: Springer, 2009. https://doi.org/10.1007/978-3-540-92261-2
C. W. Chou, S. V. Polyakov, A. Kuzmich, H. J. Kimble. Single-Photon Generation from Stored Excitation in an Atomic Ensemble». Phys. Rev. Lett., 2004, 92, 213601. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.213601
D. N. Matsukevich, T. Chaneliere, S. D. Jenkins, S.-Y. Lan, T. A. B. Kennedy, A. Kuzmich. Deterministic Single Photons via Conditional Quantum Evolution». Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 013601. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.013601
C. H. van der Wal, M. D. Eisaman, A. Andre, R. L. Walsworth, D. F. Philips, A. S. Zibrov, M. D. Lukin. Atomic Memory for Correlated Photon States. Science, 2003, 301, 196. http://dx.doi.org/10.1126/science.1085946
A. Kuzmich, W. P. Bowen, A. D. Boozer, A. Boca, C. W. Chou, L.-M. Duan, and H. J. Kimble. Generation of nonclassical photon pairs for scalable quantum communication with atomic ensembles». Nature, 2003, 423, 731. http://dx.doi.org/10.1038/nature01714
T. Bienaimé, N. Piovella, R. Kaiser. Controlled Dicke Subradiance from a Large Cloud of Two-Level Systems. Phys. Rev. Lett., 2012, 108, 123602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.123602
B. Jing. Interaction between Single Photons and Atomic Ensembles. In: Quantum Network with Multiple Cold Atomic Ensembles. Springer Theses. Springer, Singapore 2022. https://doi.org/10.1007/978-981-19-0328-1_2
Состояния Дикке
Dicke states
R. H. Dicke. Coherence in Spontaneous Radiation Processes, Phys. Rev., 1954, 93, 99. https://doi.org/10.1103/PhysRev.93.99
M. Gross, S. Haroche. Superradiance: An essay on the theory of collective spontaneous emission. Physics Reports, 1982, 93(5), 301–396. https://doi.org/10.1016/0370-1573(82)90102-8
T. Bienaimé, N. Piovella, R. Kaiser. Controlled Dicke Subradiance from a Large Cloud of Two-Level Systems. Phys. Rev. Lett., 2012, 108(12). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.123602
M. O. Scully, A. A. Svidzinsky. The Super of Superradiance, Science, 2009, 325, 1510. https://doi.org/10.1126/science.1176695
Quantum memory
Quantum memory
M. D. Eisaman, L. Childress, A. André, F. Massou, A. S. Zibrov, and M. D. Lukin. Shaping quantum pulses of light via coherent atomic memory. Phys. Rev. Lett., 2004, vol.93, no.23, 233602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.233602
R. Zhao, Y. O. Dudin, S. D. Jenkins, C. J. Campbell, D. N. Matsukevich, T. A. B. Kennedy, A. Kuzmich. Long-lived quantum memory, Nature Physics, 2009, 5, 100. https://doi.org/10.1038/nphys1152
B. Zhao, Y.-A. Chen, X.-H. Bao, T. Strassel, C.-S. Chuu, X.-M. Jin, J. Schmiedmayer, Z.-S. Yuan, S. Chen, and J.-W. Pan. A millisecond quantum memory for scalable quantum networks, Nature Physics, 2009, 5, 95. https://doi.org/10.1038/nphys1153
M. Parniak, M. Dąbrowski, M. Mazelanik, A. Leszczyński, M. Lipka, W. Wasilewski. Wavevector multiplexed atomic quantum memory via spatially-resolved single-photon detection». Nature communications, 2017, vol. 8, no. 1, p. 2140. https://doi.org/10.1038/s41467–017–02366–7
S. Chen, Y.-A. Chen, T. Strassel, Z.-S. Yuan, B. Zhao, J. Schmiedmayer, J.-W. Pan. Deterministic and Storable Single-Photon Source Based on a Quantum Memory. Phys. Rev. Lett. 2006, vol. 97, no. 17, p. 173004. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.173004
Quantum repeaters
Quantum repeaters
N. Sangouard, C. Simon, H. de Riedmatten, N. Gisin. Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics. Rev. Mod. Phys. 2011, vol. 83, no. 1, pp. 33–80. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.83.33
M. Razavi, J. Amirloo, A. H. Majedi. Quantum Key Distribution over Atomic-Ensemble Quantum Repeaters. In: Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (CD) (Optica Publishing Group, 2010), paper OWC2. https://doi.org/10.1364/OFC.2010.OWC2
T. Li, F. G. Deng. Heralded high-efficiency quantum repeater with atomic ensembles assisted by faithful single-photon transmission. Scientific Reports, 2015, 5, 15610. https://doi.org/10.1038/srep15610
Ансамблевые источники
Ensemble sources
M. Scheibner, T. Schmidt, L. Worschech, A. Forchel, G. Bacher, T. Passow, D. Hommel Superradiance of quantum dots. Nature Physics, 2007, 3 (2), 106–110. https://doi.org/10.1038/nphys494
Ахмеджанов Р. А., Гущин Л. А., Зеленский И. В., Митрофанова Т. Г., Низов В. А., Низов Н. А., Собгайда Д. А. Исследование когерентного пленения населенности и динамического эффекта Штарка в ансамблях NV-центров в алмазе при комнатной температуре в микроволновом диапазоне, Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 1. С. 65–71. http://dx.doi.org/10.21883/OS.2023.01.54539.4211-22
Akhmedzhanov R. A., Gushchin L. A., Zelensky I. V., Mitrofanova T. G., Nizov V. A., Nizov N. A., Sobgaida D. A. Study of coherent population trapping and AC Stark effect in ensembles of NV-centers in diamond at room temperature in microwave range. Optics and Spectroscopy. 2023. Т. 131. № 1. С. 62. http://dx.doi.org/10.21883/EOS.2023.01.55518.4211-22
P. Huillery, J. Leibold, T. Delord, L. Nicolas, J. Achard, A. Tallaire, G. Hétet. Coherent Microwave Control of a Nuclear Spin Ensemble at Room Temperature, Phys. Rev. B, 2021, 103, L140102. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.L140102
K. Huang, K. K. Green, L. Huang, H. Hallen, G. Han, S. F. Lim. Room-temperature upconverted superfluorescence». Nature Photonics, 2002, 16, pp. 737–742. https://doi.org/10.1038/s41566-022-01060-5
W. Guerin Super- and subradiance in dilute disordered cold atomic samples: observations and interpretations», Advances In Atomic, Molecular, and Optical Physics, 2023, vol. 72, pp. 253–296. https://doi.org/10.1016/bs.aamop.2023.04.002
R. Pennetta, M. Blaha, A. Johnson, D. Lechner, P. Schneeweiss, J. Volz, A. Rauschenbeutel. Collective Radiative Dynamics of an Ensemble of Cold Atoms Coupled to an Optical Waveguide, Phys. Rev. Lett., 2022, 128, 073601. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.073601
Одиночные молекулы
Single molecules
M. B. Gaither-Ganim, S. A. Newlon, M. G. Anderson, B. Lee. Organic molecule single-photon sources, Oxford Open Materials Science, 2023, vol. 3, issue 1, itac017. https://doi.org/10.1093/oxfmat/itac017
C. Brunel, B. Lounis, P. Tamarat, M. Orrit. Triggered Source of Single Photons based on Controlled Single Molecule Fluorescence. Phys. Rev. Lett., 1999, 83, 2722. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.2722
S. Kitson, P. Jonsson, J. Rarity, P. Tapster. Intensity fluctuation spectroscopy of small numbers of dye molecules in a microcavity». Phys. Rev. A, 1998, 58, 620. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.58.620
M. Steiner, A. Hartschuh, R. Korlacki, A. J. Meixner. Highly efficient, tunable single photon source based on single molecules. Appl. Phys. Lett., 2007, 90, 183122. http://dx.doi.org/10.1063/1.2736294
A. Kiraz, M. Ehrl, T. Hellerer, O. E. Mustecaplioglu, C. Brauchle, A. Zumbusch. Indistinguishable Photons from a Single Molecule. Phys. Rev. Lett., 2005, 94, 223602. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.223602
B. Lounis, W. E. Moerner. Single photons on demand from a single molecule at room temperature. Nature, 2000, 407, 491. http://dx.doi.org/10.1038/35035032
L. Fleury, J. Segura, G. Zumofen, B. Hecht, U. Wild, Nonclassical Photon Statistics in Single-Molecule Fluorescence at Room Temperature. Phys. Rev. Lett., 2000, 84, 1148. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.1148
M. Nothaft, S. Höhla, F. Jelezko, N. Frühauf, J. Pflaum, J. Wrachtrup. Electrically driven photon antibunching from a single molecule at room temperature». Nature Communications, 2012, 3, 628. https://doi.org/10.1038/ncomms1637
Ионы металлов в полимерной матрице
Metal ions in the polymer matrix
V. I. Korepanov, D. M. Sedlovets. Recent Advances in 2D Polymeric Phthalocyanines: Synthesis, Characterization, Applications and New Challenges. Macroheterocycles, 2019, 12(3), 232–243. https://doi.org/10.6060/mhc190864s
L. Zhang, Y.-J. Yu, L.-G. Chen, Y. Luo, B. Yang, F.-F. Kong, G. Chen, Y. Zhang, Q. Zhang, Y. Luo, J.-L. Yang, Z.-C. Dong, J. G. Hou. Electrically driven single-photon emission from an isolated single molecule. Nature Communications, 2017, vol. 8(1), 580. https://doi.org/10.1038/s41467-017-00681-7
R. A. Escalante, M. C. Mathpal, C. Ruiz-Tagle, V. H. Alvarado, F. Pinto, L. J. Martínez, L. Gence, G. Garcia, I. A. González, J. R. Maze. Photophysics of a single quantum emitter based on vanadium phthalocyanine molecules. Optics Express, 2024, vol. 32, issue 17, pp. 29447–29457. https://doi.org/10.1364/OE.527703
Y. Luo, G. Chen, Y. Zhang, L. Zhang, Y. Yu, F. Kong, X. Tian, Y. Zhang, C. Shan, Y. Luo, J. Yang, V. Sandoghdar, Z. Dong, J. G. Hou. Electrically Driven Single-Photon Superradiance from Molecular Chains in a Plasmonic Nanocavity. Phys. Rev. Lett., 2019, 122(23). https://doi.org/10.1103/physrevlett.122.233901
Shuhui Bo, Jin Hu, Qi Wang, Xinhou Liua, Zhen Zhen. Near-infrared luminescence properties of erbium complexes with the substituted phthalocyaninato ligands. Photochemical & Photobiological Sciences, 2008, Vol. 7, pp. 474–479. https://doi.org/10.1039/b715809b
I. A. Belogorokhov, L. I. Belogorokhova, Yu. V. Ryabchikov, V. E. Pushkarev. Luminescent Properties of Composite Systems Based on Polystyrene and Erbium(III) Phthalocyaninates in Near IR Spectral Region. Biomedical Chemistry: Research and Methods, 2018, vol. 1, no. 3, e00029. https://doi.org/10.18097/BMCRM00029
G. L. Pakhomov. Luminescence of Phthalocyanine Thin Films, Physics of the Solid State, 2005, 47(1), 170. https://doi.org/10.1134/1.1853471
Однофотонные источники на основе спонтанного параметрического рассеяния
Single-photon sources based on the spontaneous parametric scattering
A. Zavatta, S. Viciani, M. Bellini. Tomographic reconstruction of the single-photon Fock state by high-frequency homodyne detection. Phys. Rev. A 2004, 70(5), 053821. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.70.053821
S. P. Walborn, C. H. Monken, S. Pádua, P. H. Souto Ribeiro. Spatial correlations in parametric down-conversion. Physics Reports 2010, 495(4–5), pp. 87–139. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2010.06.003
Г. Г. Левин, А. А. Самойленко, К. Н. Миньков, Д. Д. Ружицкая. Расчет параметров источника бифотонного излучения в широком диапазоне длин волн. Оптика и спектроскопия, 2018, т. 125, вып. 6. https://doi.org/10.21883/OS.2018.12.46942.32-18,
G. G. Levin, A. A. Samoylenko, K. N. Min’kov, D. D. Ruzhitskaya. Calculating the Parameters of the Biphoton Radiation Source in a Wide Wavelength Range, Nonlinear optics, 2018, vol.125, pp. 997–1002. https://doi.org/10.1134/S0030400X18120123
K. A. Forbes, J. S. Ford, D. L. Andrews. Nonlocalized Generation of Correlated Photon Pairs in Degenerate Down-Conversion. Phys. Rev. Lett., 2017, 118 (13), 133602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.133602
K. A. Forbes, J. S. Ford, G. A. Jones, D. L. Andrews. Quantum delocalization in photon-pair generation. Phys. Rev. A, 2017, 96 (2), 023850. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.96.023850
D. H. Jundt, G. A. Magel, M. M. Fejer, R. L. Byer. Periodically poled LiNbO3 for high-efficiency second-harmonic generation. Appl. Phys. Lett., 1991, 59(21), 2657–2659. https://doi.org/10.1063/1.105929
Однофотонные источники на основе четырехволнового смешения
Single-photon sources based on the four-wave mixing
B. Fan, Z. Duan, L. Zhou, C. Yuan, Z. Y. Ou, W. Zhang. Generation of a single-photon source via a four-wave mixing process in a cavity. Phys. Rev. A, 2009, 80(6): 063809. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.80.063809
J. E. Sharping, M. Fiorentino, A. Coker, P. Kumar, R. S. Windeler. Four-wave mixing in microstructure fiber. Optics Letters, 2001, 26(14), 1048–1050. https://doi.org/10.1364/OL.26.001048
L. J. Wang, C. K. Hong, S. R. Friberg. Generation of correlated photons via four-wave mixing in optical fibres. Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics, 2001, 3(5), 346. https://doi.org/10.1088/1464-4266/3/5/F311
R. E. Slusher, B. Yurke, P. Grangier, A. LaPorta, D. F. Walls, M. Reid. Squeezed-light generation by four-wave mixing near an atomic resonance. JOSA B., 1987, 4(10), 1453–1464. https://doi.org/10.1364/JOSAB.4.001453
A. Dutt, K. Luke, S. Manipatruni, A. I. Gaeta, P. Nussenzveig, M. Lipson, On-Chip Optical Squeezing. Phys. Rev. Appl., 2015, 3(4), 044005. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.3.044005
H. Takesue, K. Inoue. Generation of polarization-entangled photon pairs and violation of Bell’s inequality using spontaneous four-wave mixing in a fiber loop. Phys. Rev. A, 2004, 70 (3), 031802. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.70.031802
Об АВТОРЕ
Криштоп Владимир Григорьевич; к.ф.-м.н.; e-mail: vladimir.krishtop@infotecs.ru; АО «ИнфоТеКС», Москва; Московский физико-технический институт (МФТИ, Физтех), г. Долгопрудный, Моск. обл.; Институт проблем технологии микроэлектроники РАН, г. Черноголовка, Моск. обл., Russia
ORCID: 0000-0001-6063-2657
Отзывы читателей
