Zdroje fotonů pro nanofotoniku

Revoluce v telekomunikacích 1. Elektromagnetismus (1820…)  telegraf (1844), telefon (1876) 2. Vakuová elektronika ( )  zesilovače, kontinentální dosah telekomunikací 3. Kvantová teorie pevných látek (1930…)  polovodiče, tranzistory (1947), digitální telekomunikace (1962) 4. Kvantová optika, lasery (1960…), optická vlákna (1970)  optické komunikace 5. Kvantová teorie informace (1980…)  kvantová kryptografie, kvantové komunikace SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC Brinkman a Lang, Rev. Mod. Phys. 71, S480.

„Kvantovost“ v komunikacích  Světlo může být detekováno pouze po kvantech (fotonech)  Náhodnost individuálních událostí  Kvantové stavy obecně nelze dokonale kopírovat (teorém o neklonování)  Lze provádět operace se superpozicemi stavů (qubit)  Kvantová provázanost (entanglement) SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Kvantové komunikace  Bezpečné komunikace Umožňují řešit úlohy na vyšším stupni bezpečnosti než klasická kryptografie  Neklasické komunikace Umožňují řešit některé úlohy klasicky neřešitelné SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Bezpečné komunikace  Kvantová distribuce kryptografického klíče  Kvantová distribuce kryptografického klíče BB84, BBBSS – 1989, Olomouc –  Kvantové posílání zpráv  Kvantová vzájemná identifikace  Kvantová vzájemná identifikace Olomouc –  Kvantové sdílení tajemství Ženeva 2001, Boston (Hendrych) 2002  Kvantový generátor náhodných čísel Olomouc ( ), Vídeň (2000), Ženeva 2000 SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Neklasické komunikace  Kvantové husté kódování Vídeň (1996)  Kvantová teleportace Vídeň (1998), Řím (1998)  Předávání kvantové provázanosti Vídeň (1998)  Kvantové opakovače Hefei (2003) SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Kvantové komunikační systémy  Zdroje nosiče kvantových stavů kódování informace  Přenosové trasy …v podstatě klasické  Detektory analýza kvantových stavů registrace SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC Volný prostor (vis) Opt. Vlákno I (0,8  m) Opt. Vlákno II (1,3  m) Opt. Vlákno III (1,5  m)

Zdroje nosičů kvantových stavů  Většina (diskrétních) komunikačních protokolů byla navržena pro nosiče stavů ve formě jednotlivých fotonů  Fockovy stavy je velmi obtížné generovat i přenášet  Snížení poměru signál/šum  Bezpečnostní rizika SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Požadavky na zdroje fotonů  Pravděpodobnost úspěchu p 1  Podíl vakuových stavů p 0 « 1  Minimalizace multifotonového obsahu c M ≈ p 1 /(p 1 +p 2 )  Produkce stavů na požádání (synchronně se spouštěcím impulsem) [p 1 | trigger]  Zdroj fotonů jako filtr výstřelového šumu SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Kvalita „jednofotonových“ zdrojů  Fano faktor F =  (  n) 2  /  n , Q-parametr Q = F-1  g 2 (0) ≈ 2p 2 /(p 1 +2p 2 ) 2  Poloha a šířka spektra  Opakovací frekvence  Stabilita  Polarizace SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Přibližné jednofotonové zdroje  Makroskopické Lasery, laserové diody (silně zeslabené) Lasery, laserové diody (silně zeslabené) Spontánní parametrická sestupná konverze (SPDC) Spontánní parametrická sestupná konverze (SPDC)  Mikroskopické (antishlukovaní) Atomy nebo ionty v pastech Atomy nebo ionty v pastech Jednotlivé molekuly Jednotlivé molekuly Defekty v (nano)krystalech Defekty v (nano)krystalech Kvantové jámy a tečky Kvantové jámy a tečky SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Zeslabené laserové impulsy  Poissonovská statistika se při zeslabení zachovává  Zeslabeni typicky o 8 a více řádů  Elektronické atenuátory  Superpoissonovské zdroje SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Parametrická downkonverze (SPDC)  SPDC v krystalech (p 1 ~  )  SPDC v periodicky pólovaných prostředích (p 1 ~10 -7  ) SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Zdroje fotonů s ohlášením  SPDC produkuje stavy kvantově provázané v počtu fotonů  Detekce fotonu v jalovém svazku ohlašuje přítomnost fotonu(ů) v signálovém svazku Hong a Mandel (1986) Pittman et al. (2004) – p nm  532 nm  810 nm (Si) nm (vlákno III) Fasel et al. (2004)  Využití PPLN Alibart et al. (2004)  Deterministické varianty [p1 | trigger] Pittman et al. (2002), Jeffrey et al. (2004) SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Atomy (ionty) v pastech  Stimulovaný Ramanův proces (STIRAP)  Silná vazba atom-rezonátor Kuhn et al. (2002) McKeever et al. (2004)  Past zajišťuje přítomnost jediného emitoru  Vysoká míra opakovatelnosti SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Jednotlivé molekuly (fluorofory)  Organické molekuly v silně ředěném roztoku, nověji fixace v polymerech Basché et al. (1992), Alléaume et al. (2004)  Za pokojové teploty široká spektrální čára (ztěžuje spektrální filtraci molekul)  malé p 1  Nízká životnost (~10 9 cyklů, s  h)  Metastabilní tmavé stavy SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC terylen p-terfenyl

Spektrum molekuly SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Defekty v nanokrystalech  Barevná centra v nanokrystalech diamantu  NV-centra (637 nm) Beveratos et al. (2002), Kurtsiefer et al. (2000) Vysoká stabilita Vysoká stabilita Široké spektrum (120 nm) Široké spektrum (120 nm)  NE8-centra (802 nm) Gaebel et al. (2004) Šířka spektra 1,2 nm Šířka spektra 1,2 nm  Temné stavy SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Polovodičové nanokrystaly  II-VI polovodiče (CdSe-ZnS – core-shell)  Slupka chrání před povrchovými defekty  Vlnová délka závisí na velikosti  Lokalizované excitony  Vysoká optoelektronická účinnost, ale „blikání“  SIL nebo mikrorezonátory (Purcellův efekt)  I při pokojové teplotě SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Kvantové tečky  Vytvářejí se epitaxními metodami (Stranski-Krastanov) - samoorganizace  Lze excitovat proudem  nízká extrakční účinnost (vysoké indexy lomu)  multiexcitony  SIL nebo mikrorezonátory (Purcellův efekt)  3-9 K SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC

Srovnání zdrojů fotonů SPOLEČNÁ LABORATOŘ OPTIKY, OLOMOUC