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Erzeugung einzelner Photonen

Neue Lichtquelle für die Radiometrie

PTBnews 3.2020
25.09.2020
Especially interesting for

Quantentechnologien, -radiometrie, -physik

Einzelphotonenquellen und -detektoren

Astrophysik

Einzelphotonenquellen sind sogenannte nicht-klassische Lichtquellen. Anders als Laser oder Glühlampen senden sie das Licht nur als einzelne Quanten (Photonen) aus. Anwendungen dafür finden sich in vielen Bereichen der Quantentechnologie, z. B. in der Quanten-basierten Bildgebung, im Quantencomputing, in der Quantenschlüsselverteilung und in quantenverstärkten optischen Messungen. Außerdem sind sie ideal für bestimmte Bereiche der Radiometrie. Für diese Anwendungen wurde jetzt eine Quelle mit besonders hohem und spektral reinem Photonenfluss entwickelt.

Schematische Darstellung der Molekül-basierten Einzelphotonenquelle für Anwendungen in der Quantenradiometrie, z. B. für die Kalibrierung eines Einzelphotonendetektors (1, SPAD) über einen Referenz-Detektor (2, analog). Der Wert von g(2)(0) = 0,08 bedeutet eine sehr niedrige Wahrscheinlichkeit, dass zwei Photonen gleichzeitig emittiert werden. DBT: Dibenzoterrylen. (Abb.: Pietro Lombardi)

Besonders für den Bereich der Quantenradiometrie sind Einzelphotonenquellen interessant, da hier sehr niedrige optische Leistungen im Bereich von Femtowatt (fW, ca. ein Milliardstel der Leistung eines Laserpointers) mit geringer Messunsicherheit gemessen werden müssen. Die einzelnen Photonen werden erzeugt, indem ein einzelnes Atom, Molekül oder Ion angeregt wird, das genau ein Photon pro Anregung aussenden kann. Das nächste Photon wird erst nach einer weiteren Anregung, also zeitlich getrennt, ausgesendet. Eine solche Einzelphotonenquelle bietet prinzipiell die Möglichkeit, ein neues Primärnormal für die optische Leistung zu realisieren, das den Schwarzkörperstrahler und die Synchrotronstrahlungsquelle ergänzt. Dies ist möglich, weil die optische Leistung in direkter Beziehung zur Gesamtzahl der Photonen steht. Durch Zählen der Photonen und der Kenntnis ihrer Energie (über die Wellenlänge) können der Photonenfluss und die optische Leistung mit sehr geringer Messunsicherheit bestimmt werden.

Die PTB arbeitet seit einigen Jahren intensiv an der Entwicklung und messtechnischen Charakterisierung von Einzelphotonenquellen für die Quantenradiometrie. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit verschiedenen europäischen nationalen Metrologieinstituten, Forschungseinrichtungen und Universitäten in europäischen Metrologie-Forschungsprogrammen (z. B. EMPIR). Im Rahmen des derzeit laufenden EMPIR-Projekts „Single Photon Sources as New Quantum Standards“ (SIQUST) wurde eine Einzelphotonenquelle auf der Basis des organischen Farbstoffmoleküls Dibenzoterrylen entwickelt und charakterisiert. Diese Quelle stellt im Vergleich zu früheren Entwicklungen in der Radiometrie signifikante Fortschritte in Bezug auf den Photonenfluss (1,3 Millionen Photonen pro Sekunde), die spektrale Bandbreite (< 0,2 nm) und die Einzelphotonenreinheit dar, die über die Korrelationsfunktion zweiter Ordnung g(2) charakterisiert wird. Die Rückführbarkeit der zwischen 37 fW und 334 fW einstellbaren optischen Strahlungsleistung bei einer Wellenlänge von 785,6 nm erlaubt durch Vergleich mit einem kalibrierten analogen (das heißt einen Photostrom erzeugenden) Referenz-Silizium (Si)-Detektor die direkte Kalibrierung der Detektionseffizienz eines Einzelphotonendetektors, eines sogenannten Single-Photon Avalanche Detectors (SPAD). Die neu entwickelte Quelle stellt einen bedeutsamen Schritt in Richtung der Etablierung einer Normal-Einzelphotonenquelle dar.

Ansprechpartner

Marco A. López Ordonez
Fachbereich 4.5 Angewandte Radiometrie
Telefon: (0531) 592-4540
marco.lopez(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

P. Lombardi, M. Trapuzzano, M. Colautti, G. Margheri, I. P. Degiovanni, M. López, S. Kück, C. Toninelli: A molecule-based single-photon source applied in quantum radiometry. Advanced Quantum Technologies (2019)

DOI: Opens external link in new window10.1002/qute.201900083