Sie haben völlig Recht, wenn Sie sich auf den Erkennungsaspekt konzentrieren. Es mag Sie überraschen, dass die Physiker seit Anfang der 20er Jahre nach Comptons Experiment von der Existenz des Photons überzeugt waren, wir aber bis in die 70er Jahre warten mussten, bis ein einzelnes Photon tatsächlich "gesehen" wurde. Wie können wir also zeigen, dass wir ein und nur ein Photon haben?

Ein Photon kann nicht gespalten werden

Der Trick besteht darin, einen Strahlteiler zu verwenden, also einen halbdurchlässigen Spiegel. Eine auf den Spiegel einfallende klassische Lichtwelle wird zur Hälfte reflektiert und zur anderen Hälfte durchgelassen. Die eigentliche Definition eines Photons ist, dass es nicht geteilt werden kann. Daher wird ein einzelnes Photon entweder reflektiert oder durchgelassen, aber niemals in beide Richtungen gleichzeitig. Um dem Intensitätsgesetz zu entsprechen, sollen die Wahrscheinlichkeiten außerdem 50/50 für die zwei Pfade sein. Ein experimenteller Aufbau kann wie folgt skizziert werden.

Die Photodetektoren sind schnell genug, um den Zeitpunkt der Detektion genau aufzuzeichnen. Man trägt dann die Anzahl der Klicks in einem Detektor und dem anderen als Funktion der Verzögerung auf$\tau$zwischen den Klicks. Wir erwarten, dass die Zählung gegen Null fällt$\tau$geht gegen Null, wenn wir wirklich ein einzelnes Photon haben, da es nicht gleichzeitig in beiden Detektoren landen kann. Umgekehrt als$\tau$zunimmt, erwarten wir, dass diese Anzahl von Klicks zunimmt, wenn das Zeitfenster groß genug wird, damit zwei oder mehr aufeinanderfolgende Photonen verschiedene Detektoren treffen können. Genau das zeigen Experimente. Hier ist eine Handlung von [KDM77]

Die Senke in der Nähe$\tau=0$wird als Anti-Bündelungseffekt bezeichnet. Der Wert Null wird nicht erreicht, weil es eine experimentelle Unsicherheit bezüglich der Verzögerung gibt, die daher nie wirklich Null ist. Somit befindet sich im Versuchsaufbau praktisch nie nur ein Photon. Dieses Experiment schließt eine reine Wellentheorie des Lichts aus dem zu Beginn dieser Antwort angegebenen Grund aus: Die Unmöglichkeit zu erklären, warum wir unabhängig von der Verzögerung keine übereinstimmenden Klicks erhalten, da die Hälfte der Welle jeden Weg nehmen und jede Hälfte treffen würde seinen jeweiligen Photodetektor zur gleichen Zeit. Im Gegenteil, bei Lichtquanten ist das Ergebnis eindeutig vorhergesagt.

Clauser [Clau74] ist die erste Untersuchung dieser Art von Physik zu verdanken. Der Titel dieses Artikels ist an sich schon aufschlussreich: Es mag überraschen, da uns weithin gesagt wurde, dass Einstein in seinem berühmten Artikel von 1905 die Existenz des Photons in genau diesem photoelektrischen Effekt bewiesen hatte, aber wie Clauser es gut erklärt in seiner Einleitung ist dies eigentlich nicht der Fall. Dieses Thema wurde in diesem Physik-Fragen-und-Antworten hier tatsächlich ausführlich diskutiert : Siehe insbesondere die Antwort von @ArnoldNeumaier, aber es gibt viele gute Argumente und Referenzen auf der ganzen Seite. Ein weiteres Beispiel für die traurige Kluft zwischen dem Unterrichten und der Popularisierung der Physik einerseits und der tatsächlichen Physik andererseits, aber ich schweife ab.

Es sollte beachtet werden, dass die Argumente, die von dieser Art von Experiment vorgebracht werden, in gewisser Weise dem Beispiel des Beugungsmusters ähneln, das jeweils ein Photon in @annavs Antwort gegeben wurde: Wir könnten sagen, dass Experimente im Clauser-Stil diskriminieren vorübergehend, während die Beugung einzeln räumlich diskriminiert, wie in einer reinen Wellentheorie des Lichts, egal wie schwach das eingehende Signal im Diffraktometer ist, eine gewisse Intensität wird jeden Punkt des Bildschirms erreichen.

Vorbote

Nach diesen Experimenten suchten die Forscher nach einem Weg, um sicherzustellen, dass sich nur ein Photon und nur ein Photon im optischen System befindet. Eine neue Idee war notwendig, wie folgendes Argument zeigt: Auch wenn die Verzögerung$\tau$so klein gemacht wird, dass die übereinstimmende Zählung auf beiden Detektoren nur von einem Photon stammt, würden wir nur wissen, dass sich ein Photon im optischen System befunden hat . Stattdessen würden wir gerne wissen, dass ein Photon in das optische System eintritt, damit wir dann sicher verschiedene Experimente damit machen können. Zwei Teams gelang 1986 der Durchbruch, Hong und Mandel [HM86] einerseits und Grangier, Roger und Aspect [GRA86] andererseits. Ihre Experimente lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• eine Quelle, die zwei Lichtstrahlen erzeugt (Rücken an Rücken für Grangier et al, auf zwei konzentrischen Kegeln für Hong et al; die physikalischen Prozesse am Werk sind völlig unterschiedlich, aber es spielt auf der Ebene dieser Ausstellung keine Rolle);
• ein optisches System, um einen Strahl auf einen optischen Pfad P zu senden, der in einem Photodetektor A endet, und den anderen auf einen anderen optischen Pfad Q.

Die Idee ist, dass, wenn die Quelle tatsächlich eine Quelle von Photonenpaaren ist, so dass jedes Photon des Paares fast gleichzeitig emittiert wird, die Ankunft eines Photons auf A garantiert, dass es ein Photon und nur ein Photon gibt der Weg Q. Somit ist das bei A ankommende Photon der "Vorbote" für das andere, daher der Name dieser Technik, Vorbote. Aber jetzt können Sie sagen, dass wir wieder einzelne Photonen annehmen, aber tatsächlich haben beide Teams komplementäre Analysen durchgeführt, die überzeugend auf diese Schlussfolgerung hindeuten.

Die klassische Wellentheorie ist ausgeschlossen

Grangier et al führten ein zusätzliches Element aus: Auf dem Weg Q platzierten sie einen Strahlteiler, der den reflektierten Strahl zu einem Fotodetektor B' und den übertragenen zu einem anderen B'' schickte, in einem Aufbau ähnlich dem Experiment von Clauser oben. Aber hier öffnet ein Treffer auf A B' und B'' für kurze Zeit zum Zählen$w$von etwa 10 Nanosekunden (wir sagen, dass B' und B'' von A gesteuert werden). Dann führten sie drei Zählungen durch: die Trefferquote$N$auf einen,$N'$auf B',$N''$auf B'' und die übereinstimmende Trefferquote$N_c$auf B' und B''.

Die Vorhersage der Quantenoptik in Form von Photonenpaaren ist leicht zu sehen: als Anzahl von Photonen$Nw$Wenn A während eines Gates getroffen wird, in Richtung 0 abnimmt, nimmt die Anzahl der am Strahlteiler ankommenden Photonen ebenfalls ab, in Richtung 1. Dann schließen wir aus einer ähnlichen Argumentation wie für Clausers obiges Experiment, dass die Anzahl der zusammenfallenden Photonen$N_cw$gegen 0 abnehmen, während die Anzahl der Photonen, die jeweils B und B' treffen, gegen 1 abnehmen wird.

Andererseits betrachteten Grangier et al. die Vorhersage der klassischen Wellentheorie. Es kann gezeigt werden, dass die Raten die folgende Ungleichung einhalten müssen:

Also zeichneten sie das Verhältnis$\alpha$der beiden Seiten dieser Ungleichung

gegen die Anzahl der Treffer$Nw$beim Öffnen des Tores durch A. Eine quantenmechanische Beschreibung sagt das voraus$\alpha$geht auf 0 als$Nw$geht auf 0, wie wir gerade erklärt haben. Hier ist ihr Ergebnis:

Die gestrichelte Linie ist die klassische Grenze$\alpha=1$, die Kurve die vollständige quantenmechanische Vorhersage unter Berücksichtigung aller experimentellen Details und die Balken die Messungen. Ganz klar ist das klassische Verhalten ausgeschlossen, während das quantenmechanische durch Daten gestützt wird.

Grangier et al. konnten nicht mehr schlussfolgern, weil ihre Photonenpaare eine viel zu breite Verteilung der Verzögerung zwischen der Emission jedes Mitglieds des Paares aufwiesen: Bei der Hälfte der Paare wurden ihre Photonen im Abstand von mindestens 5 Nanosekunden emittiert. Es kam zu Hong et al, um wirklich zu beweisen, dass sie nur ein einziges Photon hatten.

Endlich ein einzelnes Photon

Was Hong und Mandel taten, ist konzeptionell viel einfacher: In ihrem Aufbau platzierten sie einen einzelnen Fotodetektor B auf dem Pfad Q. Wenn dann A ausgelöst wird, öffnet er für 20 ns ein Gate auf B. Dann zählen sie die Zahl$m$von Treffern auf B, während das Tor geöffnet ist. Nach vielen Wiederholungen erhalten sie eine Verteilung für$m$. Da die Effizienz des Fotodetektors B für die meisten Gatter klein ist,$m=0$. Dann$m>2$ist fast null. Mit der Anzahl mal$m=1$erhalten wurde, konnten sie dann rückwärts arbeiten, wie viele Photonen B trafen, wenn A ausgelöst wurde. Ihr Ergebnis war:$1.06\pm10\%$! Ihr Vorteil gegenüber Grangier et al. war, dass die zwei Photonen jedes Paares innerhalb von weniger als 100 Pikosekunden emittiert wurden, also um einen Faktor 10 besser (sie haben dies in einem anderen Experiment gemessen).

Wohin soll es als nächstes gehen

Ich habe im Grunde nur Ihre zweite Frage beantwortet, wie Sie sicherstellen können, dass wir einzelne Photonen haben. Ich habe Ihre erste Frage teilweise beantwortet, da Herolding in der Praxis verwendet werden kann, um einzelne Photonen zu erzeugen, wie erläutert. Aber seit den 80er Jahren sind mehrere neue Techniken aufgetaucht, um Photonen nach Bedarf zu erzeugen, sehr schematisch, um zu verhindern, dass die Quelle emittiert, bis etwas dagegen unternommen wird. Es gibt eine ganze Reihe von Methoden, die auf einzelnen Atomen, Ionen oder Molekülen, auf sogenannten Quantenpunkten , auf sogenannten Farbzentren (in Diamanten) usw. basieren finden Sie in [EFMP11], und ich werde die Leser faul darauf hinweisen und hier schamlos den Ball fallen lassen!

[Clau74] John F. Clauser. Experimentelle Unterscheidung zwischen den quanten- und klassischen feldtheoretischen Vorhersagen für den photoelektrischen Effekt. Phys. Rev. D , 9 :853–860, Februar 1974 .

[KDM77] HJ Kimble, M. Dagenais und L. Mandel. Photonen-Antibunching in Resonanzfluoreszenz. Phys. Rev. Lett. , 39 :691–695, Sept. 1977 , Eprint des Autors .

[HM86] CK Hong und L. Mandel. Experimentelle Realisierung eines lokalisierten Ein-Photonen-Zustands. Phys. Rev. Lett. , 56 :58–60, Jan. 1986 .

[GRA86] P. Grangier, G. Roger und A. Aspect. Experimentelle Beweise für einen Photonen-Antikorrelationseffekt an einem Strahlteiler: Ein neues Licht auf Einzelphotoneninterferenzen. Europhys. Lette. , 1 (4):173, 1986 , Autor Eprint .

[EFMP11] MD Eisaman, J. Fan, A. Migdall und SV Polyakov. Eingeladener Übersichtsartikel: Single-Photon Sources and Detectors. Rev. Sci. Instrument. , 82 (7):071101, 2011 , NIST-Eprint .

Beachten Sie, dass die gestellte Frage nach der Erzeugung einzelner Photonen fragte, nicht nach ihrer Zerstörung . Daher sind Diskussionen über die Photonendetektion für die gestellte Frage irrelevant.

Es gibt zwei Arten von Einzelphotonen, die im Labor produziert werden: „Photonen auf Abruf“ (siehe z. B. Abschnitt 2.13 von http://lanl.arxiv.org/pdf/0810.1019v2 ) – die wirklich einzeln sind, und „angekündigte Photonen“. " (siehe z. B. https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0408093 ) - verschränkte Photonenpaare, von denen ein Partner erkannt wird, sodass (nach der Erkennungszeit) bekannt ist, dass der andere Partner jetzt ist Single. Es gibt viele Artikel, die Details besprechen; Die beiden angegebenen Referenzen sind nur die Spitze eines Eisbergs. Google die Begriffe in Anführungszeichen, um viele weitere Referenzen zu finden....

Dieses Doppelspaltexperiment verwendet einzelne Photonen.

Im Jahr 2003 entwarfen A. Weis und R. Wynands an der Universität Bonn (Deutschland) ein Vorlesungs-Demonstrationsexperiment zur Einzelphotoneninterferenz von einem Doppelspalt. Das Licht eines Laserpointers wurde so stark abgeschwächt, dass sich zwischen Doppelspalt und Detektor jeweils nur ein einziges Photon befand. Das gebeugte Licht wurde von einer Einzelphotonen-Bildkamera aufgezeichnet, die aus einem Bildverstärker (Mehrkanalplatte, MCP), gefolgt von einem Phosphorschirm und einer CCD-Kamera bestand. Wenn man aufeinanderfolgende Kamerabilder hinzufügt, sieht man das allmähliche Erscheinen des glatten klassischen Interferenzmusters

Jeder Punkt ist der Fußabdruck eines einzelnen Photons. Die vom Fußabdruck bedeckte Fläche ist viel kleiner als die Fläche des Laserstrahls, der durch die beiden Schlitze (die den klassischen Laserstrahl charakterisieren) tritt, wie aus ihrer Ausbreitung ersichtlich ist. Es ist ein Fußabdruck, den ein klassisches Teilchen in einer interaktiven Ebene hinterlassen würde. Dies zeigt deutlich die Teilchenseite der quantenmechanischen Einheit namens "Photon". Das akkumulierte Interferenzmuster ist die quantenmechanische Wahrscheinlichkeitsverteilung der Detektion, ebenso wie das klassische Interferenzmuster eines Laserstrahls.

Dieses Video ist auch lehrreich.] 3

Du fragst :

Wie stellt man sicher, dass man wirklich ein einzelnes Photon erzeugt hat? Durch Ausschließen anderer Möglichkeiten, von denen das Signal stammen könnte, und Wiederholen des Experiments, bis optimale Parameter gefunden sind. In obigem Experiment durch langsames Reduzieren der Intensität des Laserstrahls auf "kein Signal" auf "Einzeltreffer".

Bearbeiten Sie nach dem Lesen von Diskussionen :

Was niemand erwähnt hat, sind hochenergetische Photonen. Für ihre Detektion und Messung von Energie und Richtung fangen große ausgeklügelte elektromagnetische Kalorimeter Spuren ein, die im Detektor interagieren und viel elektromagnetische Energie, wie Elektronen und Photonen, abstrahlen. Hier sind zwei Photonen, wie in dieser CMS-Rekonstruktion von Ereignissen aus Messungen im Detektor.

Higgs zu Gamma-Gamma-Kandidatenereignis.

Dies sind die beiden grünen Histogramme nach einer extrapolierten gepunkteten Linie, die mit dem Ereignisscheitelpunkt verbunden ist. Sie werden als Photonen identifiziert, da in den Tracking-Detektoren kein Signal vorhanden ist und plötzlich elektromagnetische Energie im elektromagnetischen Kalorimeter deponiert wird.

Da ich Cherenkov-Detektoren gebaut habe, habe ich Erfahrung mit einzelnen Photonen: Beispielsweise erzeugt ein minimal ionisierendes Teilchen in Luft aufgrund von Szintillation einige Photonen pro Meter. Ein einzelnes Photon wird dann in der Cherenkov-Photomultiplier-Röhre als Hintergrundrauschen detektiert.