Üksiku footoni loomist nõudmisel (photon on demand) võib võtta kui täpselt ühe footoni tekitamist lainepaketina soovitud ajahetkel. Selleks on mitmeid võimalusi. Näiteks võib laserikiire võimsust tugevasti nõrgendades saada üksiku footoni lähedastele tasemetele, kuid kaasnevaks nähtuseks on märgatav osa laseriimpulsse, milles on rohkem kui üks valguse kvantosake. Ideaaljuhul peaks efektiivsel üksikute footonite allikal olema väike tõenäosus footonit mitte tekitada ning footoni genereerimisel peab tõenäosus mitme footoni saamiseks olema tühine. Sellis(t)e allika(t)e uurimine ja loomine on olnud akadeemiliste ja teadus-arendusasutuste sihiks juba aastakümneid, et katta vajadusi kvantarvuti loomisel, kvantside arendamisel, aatomkellade täiustamisel, biomeditsiinis mitteinvasiivsete analüüsimeetodite väljatöötamisel jt olulistes valdkondades.
AS Metrosert on üksikute allikate teemaga tegelenud seni rohkem klassikalisest metroloogiast lähtudes, st püüdnud intensiivset valgusvoogu nõrgendada kuni madalate footonvoogudeni välja.
Süvenenumalt kvantmetroloogiaga jätkasime rahvusvahelise metroloogia-alase projekti Single- and entangled photon sources for quantum metrology käigus (EURAMET/EMPIR 20FUN05, 2021-2024). Projekti üldeesmärkideks olid:
1. üksikute ja põimfootonite allikate metroloogilise jälgitavuse hindamine,
2. selgitada välja üksikute ja põimfootonite allikate vajalikud parameetrid erinevatel kvantnähtusi kasutatavatel mõõtmistel,
3. arendada uudseid valideerimismeetodeid üksikute ja põimfootonite allikate valmistamiseks 2. eesmärgi täitmisel,
4. arendada Euroopa metroloogia infrastrutuuri üksikute ja põimfootonite allikate metroloogiliselt jälgitavateks mõõtmisteks.
Metroserdi ülesandeks oli juhtida 4. eesmärgi täitmist ja selle eesmärgi raames arendada välja madalate footonvoogude allikate mõõtesüsteem portatiivsete allikate usaldusväärseks mõõtmisteks. Oma ülesande täitmisel lähtusime alljärgnevast põhimõtteskeemist:
Nagu näitab antud skeem, ergastatakse laseriga proovikeha ND (nano diamond) ja selle tulemusel kiiratav üksikute footonite voog suunatakse dikromaatse peegli abil mõõtesüsteemi. Mõõtesüsteem koosneb kolmest õlast: üksikute footonite laviindetektoritega (APD) osa, spektromeetri osa (SM) ja valgusvoo absoluutse taseme mõõtmise osa.
Skeemi realiseerimiseks soetasime ettevõttest PicoQuant GmbH mõõtekompleksi aeg-korreleeritud üksikute footonite loendamise võimekusega (Time-Correlated Single Photon Counting capability). Mõõtekompleksile lisasime spektromeetri, mille väljundit registreerib tundlik CCD-kaamera (vt foto allpool). Algse mõõteskeemi arendusena täiendasime süsteemi lisaseadmega, millega on võimalik ühendada väliseid üksikute footonite allikaid (Portable SPS) nende metroloogiliseks iseloomustamiseks.
Koostöös Aalto Ülikooli, Tšehhi metroloogiainstituudi (CMI), Berliini Tehnikaülikooli ja Erlangen-Nürnbergi Friedrich-Alexanderi Ülikooliga (FAU) selgitasime välja, et suudame mõõta üksikute footonite voogusid <500 kcps (tuhat loendamist sekundis) suhtelise lineaarsusega, mis on parem kui ±10% spektri nähtavas piirkonnas. See on AS Metrosert panus Põhja-Euroopa metroloogia taristu arendusse.
Edasist teadus-arenduskoostööd jätkame rahvusvahelises metroloogiaprojektis Normating colour-centre-based quantum sensing technology towards industrial application and standards (EURAMET/EMP 23NRM04, 2024-2027). Projekti eesmärgiks on kvantsensorites kasutavate värvsustsentritel põhinevate üksikute footonite allikate mõõtemeetodite valideerimine, mis loodetavasti annab sisendi Euroopa ja/või üleilmsete standardite väljatöötamisse.