Una font de punt quàntic d'un sol fotó es basa en un únic punt quàntic col·locat en una cavitat òptica. És una font de fotó únic a demanda. Un pols làser pot excitar un parell de portadors coneguts com a excitó en el punt quàntic. La decadència d'un únic excitó a causa de l'emissió espontània condueix a l'emissió d'un únic fotó. A causa de les interaccions entre excitons, l'emissió quan el punt quàntic conté un únic excitó és energèticament diferent de la que es produeix quan el punt quàntic conté més d'un excitó. Per tant, un únic excitó pot ser creat determinísticament per un pols làser i el punt quàntic es converteix en una font de llum no clàssica que emet fotons un per un i, per tant, mostra antiagrupació de fotons. L'emissió de fotons individuals es pot demostrar mesurant la funció de correlació d'intensitat de segon ordre. La taxa d'emissió espontània dels fotons emesos es pot millorar integrant el punt quàntic en una cavitat òptica. A més, la cavitat condueix a l'emissió en un mode òptic ben definit, augmentant l'eficiència de la font de fotons.
Història Amb el creixent interès en la ciència de la informació quàntica des de principis del , la recerca en diferents tipus de fonts de fotó únic va anar creixent. Les primeres fonts de fotó únic, com ara les fonts de fotons anunciades, que es van reportar per primera vegada el 1985, es basen en processos no deterministes. Les fonts de fotó únic de punts quàntics són a la carta. L'any 2000 es va reportar una font de fotó únic basada en un punt quàntic en una estructura de microdisc. Posteriorment, les fonts es van integrar en diferents estructures com ara cristalls fotònics o micropilars. L'addició de reflectors de Bragg distribuïts (DBR) va permetre l'emissió en una direcció ben definida i va augmentar l'eficiència de l'emissió. La majoria de les fonts de fotó únic de punts quàntics han de funcionar a temperatures criogèniques, cosa que encara és un repte tècnic. L'altre repte és aconseguir fonts de fotó únic de punts quàntics d'alta qualitat a la longitud d'ona de telecomunicacions per a aplicacions de telecomunicacions de fibra. El primer informe sobre l'emissió d'un sol fotó millorada per Purcell d'un punt quàntic de longitud d'ona de telecomunicacions en una cavitat de cristall fotònic bidimensional amb un factor de qualitat de 2.000 mostra les millores de la taxa d'emissió i la intensitat de cinc i sis vegades, respectivament.
Teoria de la realització d'una font de fotó únic miniatura|354x354px|Figura 1: Estructura esquemàtica d'una microcavitat òptica amb un únic punt quàntic col·locat entre dues capes de DBR. Aquesta estructura funciona com una única font de fotons. Excitar un electró en un semiconductor des de la banda de valència a la banda de conducció crea un estat excitat, anomenat excitó. La decadència radiativa espontània d'aquest excitó resulta en l'emissió d'un fotó. Com que un punt quàntic té nivells d'energia discrets, es pot aconseguir que mai no hi hagi més d'un excitó al punt quàntic simultàniament. Per tant, el punt quàntic és un emissor de fotons individuals. Un repte clau a l'hora de fer una bona font d'un sol fotó és assegurar-se que l'emissió del punt quàntic es reculli de manera eficient. Per fer-ho, el punt quàntic es col·loca en una cavitat òptica. La cavitat pot, per exemple, consistir en dos DBR en un micropilar (Fig. 1). La cavitat millora l'emissió espontània en un mode òptic ben definit (efecte Purcell), facilitant un guiat eficient de l'emissió cap a una fibra òptica. A més, la reducció del temps de vida de l'excitó (vegeu la figura 2) redueix la importància de l'eixamplament de l'amplada de línia a causa del soroll. miniatura|250x250px|Figura 2: El decaïment d'un estat excitat eixamplat en amplada de línia resulta en l'emissió d'un fotó de freqüència ħω. L'eixamplat en amplada de línia és el resultat del temps de vida finit de l'estat excitat. El sistema es pot aproximar mitjançant el model de Jaynes-Cummings. En aquest model, el punt quàntic només interactua amb un únic mode de la cavitat òptica. La freqüència del mode òptic està ben definida. Això fa que els fotons siguin indistingibles si la seva polarització està alineada per un polaritzador . La solució de l'hamiltonià de Jaynes-Cummings és una oscil·lació de Rabi al buit. Una oscil·lació de Rabi al buit d'un fotó que interactua amb un excitó es coneix com a excitó-polaritó.
Per eliminar la probabilitat de l'emissió simultània de dos fotons, cal assegurar-se que només hi pugui haver un excitó a la cavitat alhora. Els estats d'energia discrets en un punt quàntic només permeten una excitació. A més, el bloqueig de Rydberg impedeix l'excitació de dos excitons al mateix espai. La interacció electromagnètica amb l'excitó ja existent canvia lleugerament l'energia per crear un altre excitó al mateix espai. Si l'energia del làser de bombament està sintonitzada en ressonància, el segon excitó no es pot crear. Tot i així, hi ha una petita probabilitat de tenir dues excitacions al punt quàntic alhora. Dos excitons confinats en un volum petit s'anomenen biexcitons. Interactuen entre si i, per tant, canvien lleugerament la seva energia. Els fotons resultants de la decadència dels biexcitons tenen una energia diferent de la dels fotons resultants de la decadència dels excitons. Es poden filtrar deixant que el feix sortint passi per un filtre òptic. Els punts quàntics es poden excitar tant elèctricament com òpticament. Per al bombament òptic, es pot utilitzar un làser pulsat per a l'excitació dels punts quàntics. Per tal de tenir la major probabilitat de crear un excitó, el làser de bombament s'afina en ressonància. Això s'assembla a un -pols a l'esfera de Bloch. Tanmateix, d'aquesta manera els fotons emesos tenen la mateixa freqüència que el làser de bombament. Es necessita un polaritzador per distingir-los. Com que la direcció de polarització dels fotons de la cavitat és aleatòria, la meitat dels fotons emesos són bloquejats per aquest filtre.
Realització experimental Hi ha diverses maneres de realitzar un sistema de punts quàntics i cavitats que pugui actuar com a font d'un sol fotó. Les estructures de cavitats típiques són micropilars, cavitats de cristalls fotònics o microcavitats sintonitzables. Dins de la cavitat, es poden utilitzar diferents tipus de punts quàntics. El tipus més utilitzat són els punts quàntics d'InAs autoassemblats que creixen en el mode de creixement de Stranski-Krastanov, però s'han utilitzat altres materials i mètodes de creixement com ara el gravat local de gotes. A continuació es mostra una llista de diferents realitzacions experimentals:
Micropilars: En aquest mètode, els punts quàntics es fan créixer entre dos reflectors de Bragg distribuïts (miralls DBR). Els DBR normalment es fan créixer mitjançant epitaxia de feix molecular (MBE). Per als miralls, es fan créixer dos materials amb diferents índexs de refracció en ordre alternatiu. Els seus paràmetres de xarxa han de coincidir per evitar la deformació. Una possible combinació és una combinació de capes d' arseniur d'alumini i arseniur de gal·li. Després del primer DBR, s'utilitza un material amb un interval de banda més petit per fer créixer el punt quàntic per sobre del primer DBR. La segona capa de DBR ara es pot fer créixer a sobre de la capa amb els punts quàntics. El diàmetre del pilar és de només uns pocs micres d'amplada. Per evitar que el mode òptic surti de la cavitat, el micropilar ha d'actuar com a guia d'ones. Els semiconductors solen tenir índexs de refracció relativament alts al voltant de n≅3. Per tant, el seu con d'extracció és petit. En una superfície llisa, el micropilar funciona com una guia d'ones gairebé perfecta. Tanmateix, les pèrdues augmenten amb la rugositat de les parets i la disminució del diàmetre del micropilar. Per tant, les vores han de ser el més suaus possible per minimitzar les pèrdues. Això es pot aconseguir estructurant la mostra amb litografia de feix d'electrons i processant els pilars amb gravat iònic reactiu.
Les microcavitats sintonitzables que allotgen punts quàntics també es poden utilitzar com a font d'un sol fotó. A diferència dels micropilars, només es fa créixer un únic DBR per sota dels punts quàntics. La segona part de la cavitat és un mirall superior corbat que està físicament separat del semiconductor. El mirall superior es pot moure respecte a la posició del punt quàntic, cosa que permet ajustar l'acoblament dels punts quàntics de la cavitat segons calgui. Un altre avantatge respecte als micropilars és que l'entorn de càrrega dels punts quàntics es pot estabilitzar mitjançant estructures de díodes. Un desavantatge del sistema de microcavitats és que requereix components mecànics addicionals per ajustar la cavitat, cosa que augmenta la mida general del sistema.
Microlents i lents d'immersió sòlides: Per augmentar la brillantor d'una font de fotó únic de punts quàntics, també s'han utilitzat estructures de microlents. El concepte és reduir les pèrdues degudes a la reflexió interna total de manera similar al que es pot aconseguir amb una lent d'immersió sòlida.
Altres fonts de fotó únic són les guies d'ona de nanofeixos o de cristalls fotònics que contenen punts quàntics. Per a aquestes estructures, no es necessiten DBR, però es poden utilitzar per millorar l'eficiència de desacoblament. En comparació amb els micropilars, aquesta arquitectura té l'avantatge que és possible l'encaminament de fotons en un xip. D'altra banda, les mides de les estructures són molt més petites i requereixen tècniques de nanofabricació més avançades. La proximitat dels punts quàntics a la superfície és un repte addicional.
Verificació de l'emissió de fotons individuals Les fonts de fotons individuals presenten antiagrupació. Com que els fotons s'emeten d'un en un, la probabilitat de veure dos fotons alhora per a una font ideal és 0. Per verificar l'antiagrupació d'una font de llum, es pot mesurar la funció d'autocorrelació. Una font de fotons és antiagrupada si ≤ Per a una font ideal d'un sol fotó, Experimentalment, es mesura mitjançant l'efecte Hanbury Brown i Twiss. Utilitzant esquemes d'excitació ressonant, els valors experimentals per a solen estar en el règim d'uns pocs percentatges. Valors fins a s'han assolit sense excitació ressonant.
Indistinguibilitat dels fotons emesos Per a les aplicacions, els fotons emesos per una sola font de fotons han de ser indistinguibles. La solució teòrica de l'hamiltonià de Jaynes-Cummings és un mode ben definit en què només la polarització és aleatòria. Després d'alinear la polarització dels fotons, es pot mesurar la seva indistinguibilitat. Per això, s'utilitza l'efecte Hong-Ou-Mandel. Es preparen dos fotons de la font de manera que entrin a un divisor de feix 50:50 al mateix temps des dels dos canals d'entrada diferents. Es col·loca un detector a les dues sortides del divisor de feix. Es mesuren les coincidències entre els dos detectors. Si els fotons són indistinguibles, no s'haurien de produir coincidències. Experimentalment, es troba una indistinguibilitat gairebé perfecta.
Aplicacions Les fonts de fotons individuals són de gran importància en la ciència de la comunicació quàntica. Es poden utilitzar per a generadors de nombres veritablement aleatoris. Els fotons individuals que entren en un divisor de feix presenten una indeterminació quàntica inherent. Els nombres aleatoris s'utilitzen àmpliament en simulacions que utilitzen el mètode de Monte Carlo.
A més, les fonts de fotó únic són essencials en la criptografia quàntica. L'esquema BB84 és un esquema de distribució de claus quàntiques segur i demostrable. Funciona amb una font de llum que emet perfectament només un fotó alhora. A causa del teorema de no clonació, no es pot produir cap escolta sense que es noti. L'ús de l'aleatorietat quàntica durant l'escriptura de la clau impedeix qualsevol patró a la clau que es pugui utilitzar per desxifrar el codi.