调查可调谐单光子源的二阶相干功能的时间特征

摘要

单光子源在量子通信的关键的光学部件，特别是，用于安全应用。一个限定这些来源的基本参数的是第二阶相关函数，其调查揭示了发射的光子的状态的大小。在这项研究中，我们表明，二阶相关函数使用两个激光器和准备相干俘获时，随着时间的推移而变化。该计算是基于在解决主方程找到对应于发射动力学密度矩阵，并提供第二级相关函数。第二阶相关函数的变化可以被估计，并且系统的行为有关的光子发射可以通过求解基于从在金刚石氮空位（NV）的实验结果获得的参数的主方程来预测。在这里，我们报告，首次为我们所知的，在上述过程中的强相互作用的发射光子持续存在的状态。作为使用两个激光器是用于控制单光子源和源的稳定性熟悉的方法是在一个量子网络的基本点，本研究可以被认为是开发量子网络组件，诸如存储器和点播单光子源。此外，它提出了调整光子统计，同时控制光子状态的方法。

1.介绍

量子理论使科学家们能够研究超越经典水平的现象，并为他们打开了新的视野。在这个理论刚开始的时候，许多研究人员从理论上提出了分离光子的存在[1-3.]但是现在它已被实验显示[4.-7.]。为了进行量子实验和引入新技术，能够发射独立光子的量子光源，即单光子源，已经引起了重要的研究兴趣[8.-12.]。

其发射单个光子的单光子源可以由每个光子发送信息，而不会影响由所述序列中先前的光子发射的信息。最佳的单光子源应提供确定性之一，且只有一个光子的时间，没有权衡源的效率和光子不可区分[之间13.]。

在一个简单的模型中，单光子源的检测到的光子，其包含仅两个能级并由泵激光激发，源自激发和地位之间的过渡，因为填充兴奋状态并且无法吸收另一个光子。在这种情况下，根据激发的状态寿命，在两个连续发射的单光子之间存在分离时间。这次分离是光子分离的主要点。

单光子源在量子通信的关键的光学部件，特别是，出于安全的应用程序和被采用在量子通信的研究都理论上[14.-18.]和实验性地[8.那19.-21.]。在这方面，研究人员研究了它们的潜在应用，例如在光纤窗口，以及其他技术，特别是那些在室温下工作的技术。此外，研究人员已经专注于开发按需源，作为实现量子网络的关键组件之一[22.-27.实际上，引入高度可控的来源具有重要意义。

有几种方法可以控制发射的单光子。其中一种方法是相干布居捕获(CPT)，当两个共振光场与原子相互作用时，会导致激发态的发射消失，且激发态寿命后不再有发射。为了在量子网络中使用光源，需要知道连续两次发射的单个光子之间的相关性;因此，需要研究源态的动力学。如果源在单光子水平上是稳定的，并且它的状态会随着时间的推移而持续下去，这种情况对于量子网络来说是可取的。到目前为止，各种重要的论文已经研究了相关原子态的CPT和时间演化。此外，还有一些论文描述了在实际系统中制备CPT的方法，如单光子源[28.那29.]。然而，到目前为止，还没有对发射光子态的源区稳定性进行研究，这是本研究的重点。当许多研究人员使用CPT现象来调谐单光子源时，我们探讨了它对二阶相干函数值的影响，作为时间的函数。

为此，我们研究了被考虑系统的激发态的时间演化和从假定的源发射单光子的机制。我们也有动力研究光子的相关性，因为CPT条件为有限的时间准备，在那之后，系统开始发射光子[29.]。在这方面，所述的源极的二阶相干函数进行了研究，其中是田地的强度之间的相关性T.他们的时间分离。二阶相干函数G ^ 2的变化（T.）引起的相干布居俘获（CPT）进行检查采用实际系统的实验结果。为了这个目的，在金刚石氮空位（NV）已被选作实际的单光子源。NV在金刚石由最近邻对的氮原子的和的晶格空位的。它是最显著室温单光子源中的一个，因为它享有对量子通信，自旋电子学，量子信息处理等的独特结构和非凡的量子特性[14.那30.-32.[和CPT和电磁诱导的透明度过程如CPT和电磁诱导的透明过程的控制过程[25.那33.]。在接下来的步骤中，使用近似方法，的修改已报道CPT制备时的功能。结果表明，应用第二激光和制备CPT条件后，激光的强度分布发生了变化。这种变化影响功能，但它对单光子状态的制度无效。

因此，可以考虑该过程以在量子网络中实现所需的量子源。此外，该研究可以用于引入提供可调谐的二阶相干功能的方法和具有潜在应用中的高敏感装置，具有在量子通信安全性中的潜在应用。

2.方法

二阶相干函数是时间的函数，其价值T.= 0表示系统是否是单光子。为 那假设两个级别的系统，即一个兴奋和一个地面，是自发发射率的函数。通过改变速度，可能会修改。如果是拉比频率这个系统被定义为基态和激发态之间的跃迁频率，远小于自发衰变率， 那检测两个连续光子的关节概率是[1那2] 在哪里 是激发态的寿命，第一个光子在时间T.= 0时，另一个光子处于时刻T. = τ。

由于本研究的目的是研究三能级原子，并指出 那包括两个基态和一个激发态的孤立原子， 那 那和 那分别被考虑。的CPT条件（图1）制备和状态以及相关的概率的密度进行计算。

在开始时，原子处于其基态，在此之后，泵激光激发原子。另外，其它的激光，这就是所谓的探针或相干激光和具有频率接近泵频率，被激活的，因此满足条件CPT（暗状态的激发态的形成）。

可以预期，如果CPT条件施加在系统上，则应在特定频率范围内降低排放率。它可以使用Einstein系数表示[24.]： 在哪里和代表能量密度和和是自发辐射概率，而和是第三和第一，以及第三和第二等级，分别之间的受激发射概率。

在一个三能级的原子系统中，CPT过程后第三能级被消除了。它消去了系数 那 ， 和 ;激发态的有效寿命变化，式(1）成为

其他跃迁的速率最有可能发生变化。因此，研究态密度动力学对于求寿命和二阶相干函数都是很重要的参数。

对于所考虑的系统中，哈密顿在初始时间，在施加激光前，是

当采用激光器时，出现扰动，总哈密顿人变成了[33.] 在哪里和与频率的场模式的耦合有关的复杂拉比频率和在原子跃迁 和 那分别。

所考虑的系统中，我们解决了密度矩阵主方程找到稳定状态下的第三级的密度：

哈密顿量和消相干或松弛项是 [33.]

求解主方程[之后34.),计算 那并将金刚石中NV的真实参数代入一个三能级系统(见附录)，即可得到密度矩阵元素的时间剖面。

典型地，强度被绘制为从两个光子共振过程中的失谐频率的函数，与所得的轮廓在图中显示2。

在本研究中，我们关注的是强度作为时间的函数的三级系统，即金刚石的NV中心和大拉比频率。利用系统的实际参数解出主方程后，绘制出密度矩阵的元作为时间的函数，并对结果进行比较。数字3.示出了在施加第二激光器之前和之后的轮廓的变化，作为时间分离的函数。我们特别关注系统和光线之间的强烈互动。

这些结果启发了我们思考用于研究的强度波动和两个连续光子之间的关系。即使在执行模拟之前，我们可以预期，这些差异会影响强度之间的相关性 那从图中可以看出强度波动的变化。功能也绘制了（图4.）。为了验证该陈述，通过求解主方程并将钻石中的NV的实验结果作为三级原子代替NV的实验结果来使用和计算强度的时间依赖性[24.那33.]。

3.讨论和总结

CPT导致对一个频率范围的激发态发射的减少率。它意味着电子宁愿保持在地面状态，即，成为激光无效。我们采用该变量电子行为用于修改激发态和发射率的有效寿命。换句话说，CPT与以改变发射速率，并且相应地，第二阶相关函数的可能性为我们提供。作为函数的值在很大程度上依赖于该系统参数，诸如拉比频率和激光器的频率，它可以被用于研究该系统的发射行为。

该方法的另一种应用是考虑它在一个光子源，因为它可以提供一个不同的第二阶相干函数。如果第二次相干函数的值小于0.5，所述源是一个单光子源，如果该值是1，而，所发射的光子的状态是一致的（实验测得的此函数的NV值在金刚石为大约0.07 [3.])。在本研究中，我们估计CPT后的变化，但发出的光子仍然是北面状态（CPT之后）。它意味着光子波包如前所述，并且源是单光子隔离源。尽管波动是显而易见的，它的价值发现，来源是在单光子政权稳定。这表明，所发射的光子的状态是保守的，尽管二阶相干函数CPT之后变化。在使用的过程中CPT许多量子技术，如量子存储器，这种效果可以帮助研究人员确定了系统的行为，并避免不良事件的发展。

综上所述，我们研究了三能级单光子源在CPT存在和强相互作用下的二阶相干函数。将所得结果与未进行CPT的结果进行比较。结果表明，CPT可以作为一种提供稳定源态的方法，可以是数态或福克态。

附录

为了实现密度矩阵元素，关系[34.]。 是工作,是拉比频率，从第二激光器，其起源;为第二能级和第三能级之间的衰变率;在这里 和 第一和第二激光频率失谐了吗和从相应的原子跃迁。 在哪里是第二能级和第一能级之间的衰变率。 在哪里是第三和第一能量水平之间的衰减率表示从第一个激光器得到的拉比频率。

用于导出密度矩阵元的时间演化 那在文献[中详细求解的微分方程29.] 应该被考虑到。

在小的振动，可以得出结论：

通过考虑 结论关系是

可以使用(a .），（a .)，以及实验的真正价值[33.，如表所示1。

仿真结果如图所示3.。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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