74. Однофотонные источники излучения.

В квантовых системах информатики, криптографии и телекоммуникаций находят применение источники одиночных фотонов (ИОФ). Это такие источники оптического излучения, которые в требуемый момент времени с достаточно боль- шой вероятностью испускают один фотон. Основными характеристиками ИОФ являются длина волны генерируемых фотонов, частота их повторения, вероятность образования фотона в требуемый момент времени, корреляционная функция потока отдельных фотонов, сгенерированных за время измерения, и их статистическое распределение. Применяемые в настоящее время ИОФ можно разделить на три основные группы:  получаемые ослаблением оптического излучения;  получаемые при помощи генерации коррелированных пар фотонов;  одиночные квантовые системы.

Одним из наиболее простых и широко используемых способов получения одиночных фотонов является ослабление интенсивности оптических импульсов при помощи нейтральных светофильтров. Недостатком этих ИОФ является то, что в генерируемом ими оптическом излучении может содержаться более одного фотона. Для получения одиночных фотонов используется нелинейный оптический процесс спонтанного параметрического распада. Образовавшиеся фотоны в процессе спонтанного параметрического распада являются коррелированными. Таким образом, регистрация одного фотона, например, с частотой ω1 свидетельствует о наличии второго фотона с частотой ω2. Поэтому один из фотонов используется для синхронизации работы ИОФ и счетчика фотонов, а другой – для переноса информации.

Основным недостатком, который затрудняет использования этих ИОФ, является применение для накачки достаточно мощных, а, следовательно, дорогих и сложных лазеров, а также дорогостоящих искусственных сильно нелинейных кристаллов. В случае использования в качестве ИОФ молекул применяется твердотельная матрица, в которую внедрены с малой концентрацией флуоресцирующие примесные молекулы. Возбуждение флуоресценции осуществляется при помощи сильно сфокусированного лазерного излучения с диаметром светового пучка примерно 0,5 мкм. Недостатком таких ИОФ является то, что они эксплуатируются при достаточно низких температурах (Т ≤ 4 К).

В источниках одиночных фотонов на основе полупроводниковых структур генерация фотонов осуществляется за счет излучательной рекомбинации электронно- дырочных пар. При этом ИОФ представляет собой двухбарьерную структуру p-i-n типа. Посредством приложения периодически изменяющегося напряжения создаются условия для инжектирования в центральную квантовую яму из n-области и собственного полупроводника только одного электрона и одной дырки, рекомбинация которых приводит к испусканию единичного фотона. Существенным недостатком этих ИОФ является то, что необходимые условия для генерирования отдельных фотонов реализуются при чрезвычайно низких температурах.

В качестве ИОФ могут выступать квантовые точки, представляющие собой наноразмерные полупроводниковые объекты, которые можно рассматривать как пограничные между большими молекулами или молекулярными кластерами с одной стороны, и объемными твердотельными полупроводниковыми материалами – с другой. Основными недостатками ИОФ на квантовых точках является их эксплуатация при низких (гелиевых) температурах. Одной из основных проблем при применении ИОФ на основе одиночных квантовых систем является обеспечение эффективного сбора испускаемых ими фотонов для дальнейшего их использования. Это связано с тем, что эти ИОФ испускают излучение спонтанно во всех направлениях.