Tomographie von NV-Zentren für die Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren

Die in der Quantenkommunikation angestrebte abhörsichere Übertragung von Informationen beruht auf der nicht-klassischen Photonenstatistik von Einzelphotonenquellen, die nur ein einzelnes Lichtteilchen pro Zeitintervall emittieren. Nachgewiesen wird eine Einzelphotonenemission mittels Korrelationsmessungen an einem Strahlteiler, an dessen beiden Ausgängen sich jeweils ein Einzelphotonendetektor befindet (Hanbury-Brown-Twiss (HBT-)Interferometer). Treffen einzelne Photonen auf den Strahlteiler, schlagen diese entweder den Weg zu dem einen oder dem anderen Detektor ein. Die Wahrscheinlichkeit, dass beide Detektoren gleichzeitig „klicken“, geht so gegen Null und damit auch der Wert der Korrelationsfunktion zweiter Ordnung g⁽²⁾(t) zum Zeitpunkt t=0. Häufig weist die Emission praxisrelevanter Quellen jedoch einen verbleibenden Mehrphotonenanteil, also Abweichungen zu der Photonenstatistik einer „perfekten“ Einzelphotonenquelle auf. Dies ist bei der Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren zu berücksichtigen [1], da letztere ebenfalls nur einzeln eintreffende Photonen registrieren. Im Vordergrund der Untersuchungen stand deshalb die Erfassung der Photonenstatistik der zur Kalibrierung genutzten laserinduzierten Emission von Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in nanokristallinem Diamant. Diese mikroskopisch kleinen Einzelphotonenquellen liefern mit dem in Abbildung 1 gezeigten konfokalen Aufbau eine Rate von bis zu 10⁶ Photonen pro Sekunde. Eine typisch laterale Verteilung dieser Nanodiamanten mit NV-Zentren findet sich in Abbildung 2.
In Zusammenarbeit mit dem italienischen Metrologieinstitut sowie der Universität Hannover wurde die Lichtemission der NV-Zentren mittels eines photonenzahlauflösenden Transition Edge Sensors (TES) [2] sowie der sogenannten „On/Off“-Methode analysiert. Letztere beruht auf der wohldefinierten Umverteilung der Photonenstatistik durch absolut kalibrierte Graufilter [3]. Neben Aussagen zur Photonenstatistik der emittierten Strahlung verschiedener NV-Zentren konnten aus den gemessenen Photonenzahlverteilungen g⁽²⁾(0)-Werte berechnet werden, die konsistent mit den Ergebnissen der HBT-Messungen waren. Mit Kenntnis der gemessenen Photonenzahlverteilungen lassen sich für die Kalibrierung geeignete NV-Zentren auswählen sowie Messabweichungen aufgrund einer vorhandenen Mehrphotonenkomponente im Messunsicherheitsbudget besser berücksichtigen.




Abbildung 1: Konfokaler Mikroskop Messaufbau zur spektroskopischen Erfassung von als Einzelphotonenquelle eigesetzten NV-Zentren (Quantum Communication Victoria, www.qcv.au).



Abbildung 2: Laserinduzierte Emission von Stickstoff-Fehlstellen in nanokristallinen Diamanten.

Literatur:

[1]    Schmunk W, Rodenberger M, Peters S, Hofer H and Kück S 2011 Journal of. Modern Optics 58 1252.
[2]    Taralli E, Portesi C, Lolli L, Monticone E, Rajteri M, Novikov I and Beyer J 2010 Supercond. Sci. Techno. 23 105012.
[3]    Zambra G, Andreoni A, Bondani M, Gramegna M, Genovese M, Brida G, Rossi,A, Paris M.G.A 2005 Phys. Rev. Lett. 95 06302.