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Pro Photon ein Klick

Besonders interessant für:
  • Quanteninformationstechnologie
  • Medizin
  • Biotechnologie
  • Astronomie/li>

Heutzutage werden Einzelphotonenquellen und -detektoren nicht nur in der experimentellen Quantenphysik, sondern auch in der Medizin, der Biotechnologie oder der Astronomie eingesetzt. Eine besondere Rolle kommt dabei der Quanteninformationstechnologie (Quantencomputer, Quantenkryptografie) zu, die zukünftig einen sicheren Datenaustausch gewährleisten soll. Aufgrund der Vielzahl dieser Anwendungsmöglichkeiten steigt der Bedarf an Kalibrierungen und Validierungen der benötigten Messgeräte und Messtechniken. In der PTB wurden erste Kalibrierungen von Einzelphotonendetektoren mit nichtklassischem Licht durchgeführt.

Konfokales Bild von Nanodiamanten. Helle Bereiche zeigen die Emissionen der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, die als Einzelphotonenquellen dienen. Oben rechts: Die Messung der Korrelationsfunktion 2. Ordnung zeigt einen Einbruch bei t = 0, ein deutliches Indiz für eine Einzelphotonenquelle. Unten rechts: Einfluss der Photonenstatistik verschiedener Strahlungsquellen und der mittleren Photonenzahl auf das Ergebnis der Kalibrierung zweier Einzelphotonendetektoren.

Einzelphotonenquellen sind nichtklassische Lichtquellen, die nur ein einzelnes Photon pro Zeitintervall emittieren. In den Projekten qu-Candela (www.quantumcandela.org) und EPHQUAM (www.ephquam.de) wurden Einzelphotonenquellen untersucht, die u. a. auf der laserinduzierten Emission von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in nanokristallinem Diamant basieren. Diese mikroskopisch kleinen Lichtquellen emittieren einzelne Photonen, von denen man bis zu 106 pro Sekunde experimentell detektieren kann.


Nachgewiesen wird eine Einzelphotonenemission mittels Korrelationsmessungen an einem Strahlteiler, an dessen beiden Ausgängen jeweils ein Einzelphotonendetektor positioniert ist (Hanbury-Brown-Twiss-Interferometer). Treffen einzelne Photonen auf den Strahlteiler, können sie entweder den Weg zum einen oder zum anderen Detektor einschlagen. Die Wahrscheinlichkeit, dass beide Detektoren gleichzeitig „klicken“, geht damit gegen Null. Damit sind Einzelphotonenquellen ideal für die Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren (sogenannten „Klickdetektoren“) geeignet, da diese im Gegensatz zu klassischen Lichtempfängern ebenfalls nur einzeln eintreffende Photonen registrieren. Werden hingegen klassische Lichtquellen verwendet, bei denen gleichzeitig mehrere Photonen den Einzelphotonendetektor
erreichen, ergeben sich Kalibrierabweichungen. Dies kann durch Modellrechnungen gezeigt werden: Schon bei Photonenflüssen, bei denen im Mittel pro Detektionszeitintervall 0,1 Photonen am Einzelphotonendetektor eintreffen, ergeben sich Abweichungen > 1,2 % (Laser) bzw. > 2,5 % (thermisches Licht) in der gemessenen Detektionseffizienz, wobei die Messunsicherheit der zurzeit durchgeführten Untersuchungen bei < 1 % liegt.

Zukünftig sollen spektrale Einflüsse bei der Bestimmung der relativen und absoluten Detektionseffi zienz von Einzelphotonendetektoren detailliert untersucht und dabei auch alternative Methoden angewendet werden.

Ansprechpartner:

Stefan Kück
Fachbereich 4.5
Optische Technologien
Tel. (0531) 592-4500
E-Mail: stefan.kueck(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Schmunk, W.; Rodenberger, M.; Peters, S.; Hofer, H.; Kück, S.: Radiometric calibration of single photon detectors by a single photon source based on NV-centers in diamond. Journal of Modern Optics 58 (2011) 1252 – 1259