Проще говоря, источник одиночных фотонов устроен так: берётся один атом с одним электроном. 1 При переходе этого электрона с одного уровня на другой испускается ровно один фотон. 1 Поэтому нужно возбудить такой атом и подождать, пока он испустит фотон. 1

На практике вместо одного атома можно использовать одиночную неоднородность в каком-либо куске кристалла или полупроводника, или искусственно созданные объекты. 1

Также существует способ на основе кристалла алмаза с азотной вакансией в качестве точечного дефекта. 2 Такая примесь приводит к образованию дополнительного энергетического уровня внутри запрещённой зоны алмаза и является для него центром окраски. 2 Процесс испускания фотонов на такой примеси состоит из трёх основных стадий: 2

1. Сначала на примесный энергетический уровень из зоны проводимости захватывается электрон. 2
2. После этого для компенсации заряда на центре окраски из валентной зоны выдергивается дырка, но не на занятый электроном энергетический уровень, а на ещё один специально образованный возбуждённый уровень. 2
3. На последнем этапе между двумя уровнями (основным уровнем с электроном и возбуждённым — с дыркой) происходит переход с испусканием фотона. 2

Для того чтобы такой источник фотона работал, для каждого следующего испускания его необходимо «перезаряжать», то есть снова закачать электрон на основной примесный уровень центра окраски. 2