Pozor, vyletí jeden foton!

Pro mnoho fyzikálních experimentů a technických aplikací by bylo užitečné mít k dispozici kontrolovatelný zdroj jednotlivých fotonů. Ten by měl umět buď v žádaném okamžiku vypustit právě jeden foton, nebo vysílat jeden foton za druhým v pravidelných intervalech. Sestrojení takového zdroje je však velmi obtížné. Všechny běžné zdroje světla (i lasery) pracují s ohromným počtem fotonů – i když proud světla zeslabíme (třeba nastavením málo propustné překážky) natolik, že už bude procházet jen sem tam jeden foton, nikdy nebudeme schopni zaručit, v kterém okamžiku foton přijde.

Zatím nejúspěšnější pokus o realizaci periodického zdroje jednotlivých fotonů představila nedávno skupina prof. Oritta z Univerzity Bordeaux I (Ch. Brunel ad., Physical Review Letters 83, 2722–2725, 4. 8. 1999). Francouzští vědci využili své zkušenosti s měřením spekter jednotlivých molekul a skutečnost, že jedna fluoreskující molekula nebo atom může po převedení do vybuzeného stavu vyslat pouze jeden foton v daném okamžiku (jev zvaný „photon antibunching“ – antishlukování). Pokud budeme molekulu spojitě excitovat – třeba laserem – bude vysílat jednotlivé fotony (při přechodu z vybuzeného do základního stavu) v nepravidelných intervalech, přičemž četnost fotonů bude záviset na intenzitě buzení a na době života vybuzeného stavu (charakterizuje dobu, po kterou systém ve vybuzeném stavu setrvá). Abychom mohli kontrolovat, kdy bude foton vyslán, musíme mít kontrolu nad převedním molekuly do vybuzeného stavu. K tomu vědci z Bordeaux využili fakt, že energetické stavy molekuly lze posouvat působením elektrického pole (Starkův jev). Laser měli naladěný tak, že byl v rezonanci s absorpčním přechodem molekuly při nulovém poli. Po zapnutí radiofrekvenčního zdroje (frekvence několik MHz) pak byla absorpční frekvence molekuly modulována vnějším elektrickým polem a pouze v okamžicích nulové hodnoty pole (dvakrát za periodu kmitů) se molekula dostala do rezonance s laserem a mohla absorbovat a následně vyslat foton.

Pro experiment byla vybrána stabilní molekula s vysokým výtěžkem fluorescence (při dostatečně nízké teplotě, kdy je snížena možnost nezářivé relaxace molekuly, je výtěžek fluorescence blízký jedné, tj. téměř každý absorbovaný foton vyvolá emisi jednoho fluorescenčního fotonu). Experiment byl prováděn v podobném uspořádání, v jakém jsou měřena fluorescenční spektra jednotlivých molekul (Vesmír 76, 485, 1997/9). Molekuly byly rozpuštěny v rozpouštědle a naneseny na křemennou podložku s dvěma hliníkovými elektrodami těsně u sebe; vzorek byl pak ochlazen na teplotu 1,8 K v optickém kryostatu. Vlnová délka laseru byla vybrána tak, že po soustředění paprsku na malou plochu mezi elektrody byla pouze jedna z osvětlených molekul v rezonanci s laserem – byla schopna absorbovat fotony laseru. Emitované fotony byly velmi účinně soustředěny malým parabolickým zrcadlem a přivedeny na detektor.

Po připojení radiofrekvenčního zdroje na elektrody vzorku toto zařízení skutečně začalo vysílat jednotlivé fotony v intervalu asi 0,2 mikrosekundy (frekvence 5 MHz). Bohužel, zdroj není zcela dokonalý – sled fotonů má mezery, neboť pouze v 74 % případů průchodu molekuly rezonancí dojde k emisi právě jednoho fotonu. Prof. Orrit odhaduje, že bude možné dosáhnout zlepšení účinnosti až na 95 %.

Představený zdroj jednotlivých fotonů je velkou nadějí pro rozvoj kvantové kryptografie (Vesmír 77, 633, 1998/11), kvantových počítačů a dalších aplikací vyžadujících možnost připravit jednotlivé fotony v žádaném stavu. Vzhledem k nutnosti chlazení molekul na teplotu kapalného helia a excitaci laditelným laserem s velmi úzkou spektrální šířkou je však popsaný zdroj příliš rozměrný a drahý na to, aby se mohl rozšířit. Z tohoto pohledu je nadějnější druhý klíčovaný zdroj jednotlivých fotonů – představený dříve v letošním roce (Nature 397, 500, 1999). Ten je založen na polovodičových nanostrukturách a mohl by být potenciálně integrován do současných polovodičových součástek. V každém případě je popsaný experiment dalším důkazem toho, že zdánlivě „nepraktická“ odvětví čisté vědy (zde optické spektroskopie jednotlivých molekul) mohou nalézt nečekané uplatnění v technické praxi.