مصدر الفوتون الواحد

مصدر الفوتون الأحادي هو مصدر ضوئي يُصدر الضوء على شكل جسيمات أو فوتونات منفردة . ويختلف هذا المصدر عن مصادر الضوء المتماسكة ( كالليزر ) ومصادر الضوء الحرارية كالمصابيح المتوهجة . ينص مبدأ هايزنبرغ للشك على أنه لا يمكن إنشاء حالة بعدد محدد من الفوتونات ذات تردد واحد. مع ذلك، يمكن دراسة حالات فوك (أو حالات العدد) لنظام يتوزع فيه سعة المجال الكهربائي على نطاق ترددي ضيق. في هذا السياق، يُنتج مصدر الفوتون الأحادي حالة عددية تُعتبر فعليًا حالة فوتون واحد.

تُظهر الفوتونات الصادرة من مصدر مثالي أحادي الفوتون خصائص ميكانيكية كمومية . تشمل هذه الخصائص ظاهرة عدم تكتل الفوتونات ، بحيث لا يقل الفاصل الزمني بين فوتونين متتاليين عن قيمة دنيا محددة. يمكن إثبات هذا السلوك تجريبيًا باستخدام مُقسِّم شعاع وكواشف فوتونات أحادية، مثل الثنائيات الضوئية الانهيارية ، التي تراقب خرج مُقسِّم الشعاع. يُستخدم الكشف من أحد الكواشف لتوفير إشارة "بدء العد" لمؤقت إلكتروني سريع، بينما يُستخدم الآخر لتوفير إشارة "إيقاف العد". في حالة تدفق فوتونات أحادية إلى جهاز القياس هذا، لن تحدث أي أحداث كشف متزامنة. من خلال قياس الفترات الزمنية بين إشارتي "البدء" و"الإيقاف" بشكل متكرر، يمكن تكوين مُدرج تكراري للفواصل الزمنية بين فوتونين متتاليين. إذا تم رصد مصدر فوتون أحادي حقيقي، فإن الفوتونات تكون منفصلة زمنيًا، ويظهر انخفاض واضح حول الصفر الزمني.

على الرغم من أن مفهوم الفوتون المفرد قد اقترحه بلانك في وقت مبكر من عام 1900، ^{[ 1 ]} إلا أنه لم يتم إنشاء مصدر حقيقي للفوتون المفرد بشكل منفرد حتى عام 1974. وقد تحقق ذلك باستخدام انتقال متتالي داخل ذرات الزئبق. ^{[ 2 ]} تُصدر الذرات المفردة فوتونين بترددات مختلفة في الانتقال المتتالي، ومن خلال الترشيح الطيفي للضوء، يمكن استخدام رصد أحد الفوتونين للتنبؤ بالآخر. وقد تميز رصد هذه الفوتونات المفردة بتأثير الترابط العكسي على منفذي الإخراج لمقسم الحزمة، على غرار تجربة هانبري براون وتويس الشهيرة عام 1956. ^{[ 3 ]}

ظهر مصدر آخر للفوتونات المفردة عام 1977، استخدم التألق الناتج عن حزمة مخففة من ذرات الصوديوم. ^{[ 4 ]} تم تخفيف حزمة ذرات الصوديوم بحيث لا تساهم أكثر من ذرة أو ذرتين في إشعاع التألق المرصود في أي لحظة. وبهذه الطريقة، كانت الباعثات المفردة فقط هي التي تُنتج الضوء، وأظهر التألق المرصود خاصية التضاد. استمر عزل الذرات المفردة باستخدام مصائد الأيونات في منتصف ثمانينيات القرن العشرين. كان من الممكن احتجاز أيون واحد في مصيدة بول بترددات الراديو لفترة طويلة (10  دقائق)، وبالتالي يعمل كمصدر منفرد لفوتونات مفردة متعددة، كما في تجارب ديدريش ووالثر. ^{[ 5 ]} في الوقت نفسه ، بدأ استخدام عملية التحويل البارامتري غير الخطية، ومنذ ذلك الحين وحتى يومنا هذا، أصبحت هذه العملية الأداة الأساسية في التجارب التي تتطلب فوتونات مفردة.

أدت التطورات في مجال المجهر إلى عزل جزيئات منفردة في أواخر ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 6 ]} لاحقًا، تم الكشف عن جزيئات البنتاكين المنفردة في بلورات بارا - تيرفينيل . ^{[ 7 ]} وقد بدأ استخدام هذه الجزيئات المنفردة كمصادر للفوتونات المفردة. ^{[ 8 ]}

ظهرت مراكز العيوب في العديد من المواد الصلبة خلال القرن الحادي والعشرين، ^{[ 9 ]} وأبرزها الماس، وكربيد السيليكون ^{، [ 10 ] [ 11 ]} ونيتريد البورون . ^{[ 12 ]} يُعد مركز فراغ النيتروجين (NV) في الماس أكثر العيوب دراسةً، وقد استُخدم كمصدر للفوتونات المفردة. ^{[ 13 ]} يمكن لهذه المصادر، إلى جانب الجزيئات، الاستفادة من الحصر القوي للضوء (المرايا، والمرنانات الدقيقة، والألياف البصرية، والموجهات الضوئية، وما إلى ذلك) لتعزيز انبعاث مراكز فراغ النيتروجين. إلى جانب مراكز NV والجزيئات، يمكن للنقاط الكمومية ^{[ 14 ]} ، والنقاط الكمومية المحصورة في هوائيات بصرية ^{[ 15 ]} ، وأنابيب الكربون النانوية المُعدّلة وظيفيًا ^{[ 16 ] [ 17 ] ،} والمواد ثنائية الأبعاد ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] أن تُصدر فوتونات مفردة ،} ويمكن تصنيعها من نفس مواد أشباه الموصلات المستخدمة في هياكل حصر الضوء. تجدر الإشارة إلى أن مصادر الفوتونات المفردة عند طول موجة الاتصالات 1550 ^{نانومتر}  تُعدّ بالغة الأهمية في الاتصالات عبر الألياف الضوئية ، وهي في الغالب نقاط كمومية من زرنيخيد الإنديوم ^{[ 25 ] [ 26 ]} . مع ذلك، من خلال إنشاء واجهة كمومية لتحويل التردد من مصادر الفوتونات المفردة المرئية، يُمكن توليد فوتونات مفردة عند 1550  نانومتر مع الحفاظ على خاصية التجميع المضاد ^{[ 27 ] .}

يؤدي إثارة الذرات والإكسيتونات إلى مستويات ريدبيرغ ذات التفاعل العالي إلى منع حدوث أكثر من إثارة واحدة عبر ما يُسمى بحجم الحجب. وبالتالي، يمكن أن تعمل إثارة ريدبيرغ في مجموعات ذرية صغيرة ^{[ 28 ]} أو بلورات ^{[ 29 ]} كمصادر فوتونات مفردة.

في نظرية الكم، تصف الفوتونات الإشعاع الكهرومغناطيسي الكمي . تحديدًا، الفوتون هو إثارة أولية لنمط اهتزازي طبيعي للمجال الكهرومغناطيسي . وبالتالي، فإن حالة الفوتون المفرد هي الحالة الكمية لنمط إشعاعي يحتوي على إثارة واحدة. هذا النوع من الحالات غير متمركز تمامًا.

تُصنَّف أنماط الإشعاع المفردة، من بين أمور أخرى، بتردد الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي تصفه. مع ذلك، في البصريات الكمومية ، تشير حالات الفوتون المفرد أيضًا إلى تراكبات رياضية لأنماط إشعاع أحادية التردد ( أحادية اللون ). ^{[ 30 ]} هذا التعريف عام بما يكفي ليشمل حزم موجات الفوتون ، أي حالات الإشعاع المتمركزة إلى حد ما في المكان والزمان.

تُنتج مصادر الفوتون الواحد حالات الفوتون الواحد كما هو موضح أعلاه. بعبارة أخرى، تُنتج مصادر الفوتون الواحد المثالية إشعاعًا بتوزيع عدد الفوتونات بمتوسط ​​يساوي واحدًا وتباين يساوي صفرًا. ^{[ 31 ]}

يُنتج مصدر الفوتون الأحادي المثالي حالات الفوتون الأحادي باحتمالية 100%، بينما يُنتج الفراغ البصري أو حالات الفوتونات المتعددة باحتمالية 0%. تشمل الخصائص المرغوبة لمصادر الفوتون الأحادي في العالم الحقيقي الكفاءة، والمتانة، وسهولة التنفيذ، والقدرة على توليد الفوتونات الأحادية عند الطلب، أي توليدها في أوقات مختارة عشوائيًا. تُعد مصادر الفوتون الأحادي، بما في ذلك الباعثات الأحادية مثل الذرات والأيونات والجزيئات، والباعثات الصلبة مثل النقاط الكمومية ومراكز الألوان وأنابيب الكربون النانوية، مصادر قابلة للتوليد عند الطلب. ^{[ 31 ]} حاليًا، توجد العديد من المواد النانوية النشطة المصممة لتكون باعثات كمومية أحادية، حيث يمكن ضبط انبعاثها التلقائي عن طريق تغيير الكثافة المحلية للحالات البصرية في الهياكل النانوية العازلة. عادةً ما تُصمم الهياكل النانوية العازلة ضمن الهياكل غير المتجانسة لتعزيز تفاعل الضوء مع المادة ، وبالتالي تحسين كفاءة مصادر الفوتون الأحادي هذه. ^{[ 32 ] [ 33 ]} نوع آخر من المصادر يشمل المصادر غير الحتمية، أي ليست عند الطلب، وتشمل هذه أمثلة مثل الليزر الضعيف، والشلالات الذرية، والتحويل البارامتري السفلي .

يمكن تحديد طبيعة الفوتون الواحد للمصدر كمياً باستخدام دالة الارتباط من الدرجة الثانية${\displaystyle g^{(2)}(\tau )}$تُظهر مصادر الفوتون المفرد المثالية ${\displaystyle g^{(2)}(0)=0}$وتتميز مصادر الفوتون الواحد الجيدة بصغر حجمها${\displaystyle g^{(2)}(0)}$يمكن قياس دالة الارتباط من الدرجة الثانية باستخدام تأثير هانبري براون-تويس .

يحدث توليد الفوتون المفرد عندما يُنتج مصدرٌ فوتونًا واحدًا فقط خلال فترة تألقه بعد إثارته ضوئيًا أو كهربائيًا. ولم يُبتكر بعدُ مصدرٌ مثاليٌّ للفوتونات المفردة. ونظرًا لأن التطبيقات الرئيسية لمصدر فوتون مفرد عالي الجودة هي توزيع المفاتيح الكمومية ، ومكررات الإشارة الكمومية ^{[ 34 ]} ، وعلم المعلومات الكمومية ، فينبغي أن يكون للفوتونات المُولَّدة طول موجي يُقلِّل الفقد والتوهين عند انتقالها عبر الألياف الضوئية. في الوقت الحاضر، تُعدُّ الجزيئات المفردة ، وذرات ريدبيرغ ^{[ 35 ]} ، ومراكز ألوان الماس، والنقاط الكمومية من أكثر مصادر الفوتونات المفردة شيوعًا، حيث تُجرى دراساتٌ واسعةٌ على هذه الأخيرة بجهودٍ حثيثةٍ من العديد من المجموعات البحثية لتحقيق نقاط كمومية تُصدر فوتونات مفردة في درجة حرارة الغرفة ضمن نطاق الفقد المنخفض للاتصالات عبر الألياف الضوئية . ولأغراضٍ عديدة، يجب أن تكون الفوتونات المفردة غير مُتكتِّلة، ويمكن التحقق من ذلك.

يمكن توليد أزواج من الفوتونات المفردة في حالات شديدة الترابط باستخدام فوتون واحد عالي الطاقة لإنتاج فوتونين منخفضي الطاقة. يمكن رصد أحد الفوتونات من الزوج الناتج "للتنبؤ" بالفوتون الآخر (وبالتالي تكون حالته معروفة جيدًا قبل الرصد طالما أن حالة الفوتونين قابلة للفصل، وإلا فإن "التنبؤ" يترك الفوتون المُنبأ به في حالة مختلطة ^{[ 38 ]} ). لا يشترط عمومًا أن يكون للفوتونين نفس الطول الموجي، ولكن الطاقة الكلية والاستقطاب الناتج يُحددان بعملية التوليد. أحد المجالات ذات الأهمية البالغة لمثل هذه الأزواج من الفوتونات هو توزيع المفاتيح الكمومية .

تُستخدم مصادر الفوتون المفرد المُعلن عنها أيضًا لدراسة قوانين الفيزياء الأساسية في ميكانيكا الكم. يوجد نوعان شائعان من هذه المصادر: التحويل البارامتري التلقائي للترددات المنخفضة، والمزج التلقائي لأربع موجات . يتميز النوع الأول بعرض خط طيفي يبلغ حوالي تيراهيرتز، بينما يتميز النوع الثاني بعرض خط طيفي يبلغ حوالي ميغاهرتز أو أقل. وقد استُخدم الفوتون المفرد المُعلن عنه لإثبات تخزين الفوتونات وتحميلها في التجويف البصري.

• R. Loudon, The Quantum Theory of Light, :Oxford University Press, 3rd edition (2000).
• بلانك، م. (1900). "Über eine Verbesserung der Wienschen Spektralgleichung". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft . 2 : 202 – 204.ترجمة تير هار، د. (1967). "حول تحسين معادلة فين للطيف" (ملف PDF) . نظرية الكم القديمة . دار بيرغامون للنشر . الصفحات 79-81 . LCCN 66029628 .