Potsdam, University, Diss., 2004.

Zugl.: Potsdam, Univ., Diss., 2004

Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel basierend auf Halbleiternanostrukturen eine effiziente und skalierbare Quelle einzelner und ununterscheidbarer Photonen zu entwickeln. Dies ist eine Basiskomponente von zukünftigen quantenphysikalischen Anwendungen wie der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputer. Diese Konzepte nutzen gezielt quantenmechanische Systeme um einerseits Kommunikation absolut abhörsicher zu machen oder um neuartige Computer zu konstruieren, die bestimmte Aufgaben - wie die Produktzerlegung großer Zahlen - effizienter lösen als heutige Systeme. Ein mögliche Realisierung der Quantenkommunikation ist beispielsweise die Schlüsselverteilung zwischen zwei Parteien durch Verwendung des BB84-Protokolls. Dazu wird eine Lichtquelle benötigt, welche die physikalisch kleinstmögliche Lichtmenge - ein einzelnes Photon - aussendet. Der Kommunikationskanal wird dann über verschiedene Polarisationszustände dieser Photonen gegen ein Abhören nach außen hin abgesichert. Da die maximale Kommunikationsdistanz aufgrund von Verlusten im Quantenkanal beschränkt ist, muss das Signal für größere Distanzen mit Hilfe eines sog. Quantenrepeaters aufbereitet werden. Ein solcher kann ebenfalls unter Verwendung von Einzelphotonenquellen realisiert werden. Das Konzept des Quantenverstärkers stellt aber die zusätzliche Anforderung an die Einzelphotonenquelle, dass die ausgesendeten Lichtteilchen in der Summe ihrer Eigenschaften wie Energie und Polarisation immer gleich und somit ununterscheidbar sein müssen. Auf Basis solcher ununterscheidbarer Photonen gibt es zudem mit dem linear optischen Quantenrechner auch mögliche theoretische Ansätze zur Realisierung eines Quantencomputers. Dabei kann über die Quanteninterferenz von ununterscheidbaren Photonen an optischen Bauteilen wie Strahlteilern ein Quanten-NOT-Gatter zur Berechnung spezieller Algorithmen realisiert werden. Als vielversprechende Kandidaten für eine solche Lichtquelle einzelner Photonen haben sich in den letzten Jahren Halbleiter-Quantenpunkte herauskristallisiert. Dank des festkörperbasierten Ansatzes können diese Strukturen in komplexe photonische Umgebungen zur Erhöhung der Photonen-Extraktionseffizienz und -Emissionsrate eingebettet werden. Ziel dieser Arbeit war somit eine effiziente Quelle einzelner ununterscheidbarer Photonen zu realisieren. Im Hinblick auf die spätere Anwendbarkeit wurde der Fokus zudem auf die skalierbare bzw. deterministische Fabrikation der Quantenpunkt-Strukturen gelegt und zwei technologische Ansätze - die kryogene in-situ-Lithographie und das positionierte Wachstum von Quantenpunkten - untersucht. Im ersten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird ein neuartiges Materialsystem vorgestellt, welches sich zur Generation einzelner Photonen eignet. Es können spektral scharfe Emissionslinien mit Linienbreiten bis knapp über 50 µeV aus Al$_{0,48}$In$_{0,52}$As Volumenmaterial beobachtet werden, wenn diese Schicht auf InP(111) Substraten abgeschieden wird. In Querschnitt-Rastertunnelmikroskopie-Messungen wurden ca. 16 nm große Cluster, welche eine um ungefähr 7 % höhere Indiumkonzentration im Vergleich zur nominellen Zusammensetzung des Volumenmaterials besitzen, gefunden. Über die Simulation dieser Strukturen konnten diese als Quelle der spektral scharfen Emissionslinien identifiziert werden. Zudem wurde mittels Auto- und Kreuzkorrelationsmessungen nachgewiesen, dass diese Nanocluster einzelne Photonen emittieren und verschieden geladene exzitonische und biexzitonische Ladungsträgerkomplexe binden können. Anschließend wurde der Fokus auf InGaAs-Quantenpunkte gelegt und zunächst im Rahmen einer experimentellen und theoretischen Gemeinschaftsarbeit die Kohärenzeigenschaften eines gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavität-Systems untersucht. Über temperaturabhängige Zwei-Photonen Interferenz Messungen und dem Vergleich mit einem mikroskopischen Modell des Systems konnten gezielt die Bestandteile der Quantenpunkt-Dephasierung extrahiert werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde die gepulste, strikt resonante Anregung von Quantenpunkten als experimentelle Schlüsseltechnik etabliert. Damit konnten bei tiefen Temperaturen nahezu vollständig ununterscheidbare Photonen durch eine Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von über 98 % nachgewiesen werden. Für ein skalierbares und deterministisches Quantenpunkt-Bauelement ist entweder die Kontrolle über die Position an welcher der Quantenpunkt gewachsen wird nötig, oder die Position an der eine Mikrokavität geätzt wird muss auf die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes abgestimmt werden. Im weiteren Verlauf werden Untersuchungen an beiden technologischen Ansätzen durchgeführt. Zunächst wurde der Fokus auf positionierte Quantenpunkte gelegt. Mittels in das Substrat geätzter Nanolöcher wird der Ort der Quantenpunkt-Nukleation festgelegt. Durch die geätzten Grenzflächen in Quantenpunkt-Nähe entstehen jedoch auch Defektzustände, die negativen Einfluss auf die Kohärenz der Quantenpunkt-Emission nehmen. Deshalb wurde an diesem Typus von Quantenpunkten die strikt resonante Anregung etabliert und zum ersten Mal die kohärente Kopplung des Exzitons an ein resonantes Lichtfeld demonstriert. Zudem konnte die deterministische Kontrolle der Exzitonbesetzung über den Nachweis einer Rabi-Oszillation gezeigt werden. Abschließend wird das Konzept der kryogenen in-situ-Lithographie vorgestellt. Diese erlaubt die laterale Ausrichtung der Mikrokavität an die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes. Damit konnte gezielt die Emission eines zuvor ausgewählten, spektral schmalen Quantenpunktes mit nahezu 75 % Gesamteffizienz eingesammelt werden. Die Ununterscheidbarkeit der Quantenpunkt-Photonen war dabei mit einer Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von bis zu $\nu=(88\pm3)~\%$ sehr hoch. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Einzelphotonenquelle realisiert, aus der sich sehr effizient kohärente Photonen auskoppeln lassen, was einen wichtigen Schritt hin zur deterministischen Fabrikation von Lichtquellen für quantenphysikalischen Anwendungen darstellt. / The aim of this thesis was to develop an efficient and scalable source of single and indistinguishable photons. This is a fundamental element of future quantum physical applications like quantum communication or quantum networks. These concepts use quantum mechanical systems to either establish absolute secure communication or to construct new computers, whose calculating capacity for specialized algorithms - like integer factorization - is far beyond today's systems. One possible realization of quantum communication is the key distribution between two parties via using the BB84-protocol. This scheme needs a lights source that emits the physical smallest amount of light - a single photon. The communication channel between transmitter and receiver is then secured against eavesdropping by different polarisation states of these photons. The non-avoidable loses in the quantum channel limit the maximum possible communication distance, which is why the signal has to be amplified with a so called quantum repeater after a certain distance. Such a repeater can also be realized with a single photon source. In addition to the BB84-protocol, for realizing the concept of a quantum repeater the photons have to share all their properties like energy and polarization, i. e. they need to be indistinguishable. Over the past years, semiconductor quantum dots have been identified as a promising candidate for such a light source. Due to the solid state scheme, these structures can be implemented into complex photonic architectures to increase the outcoupling efficiency and the emission rate of single photons. The main goal of the following work was therefore the realization of an efficient source of single and indistinguishable photons. Keeping future applications in mind, the additional focus of this work was lying on the scalable and deterministic fabrication of these quantum dot structures and two technological approaches - the cryogenic in-situ-lithography and the positioned growth of quantum dots - were investigated. In the first part of this thesis, a novel material system, which serves as a source of single photons is presented. Spectrally sharp emission features with a linewidth down to 50 µeV from bulk Al$_{0,48}$In$_{0,52}$As grown on InP(111) substrates were observed. Via cross-section scanning tunneling microscopy measurements, nanoclusters with a diameter of approximately 16 nm and a 7 % increased indium concentration compared to the nominal composition, were found. Additional simulations of these complexes identify these nanoclusters as sources of the spectrally sharp emissions lines. Furthermore, single photon emission as well as the formation of multi excitonic charge complexes within these clusters via auto- and crosscorrelation measurements is confirmed. Afterwards, the work focusses on InGaAs-quantum dots and, as a first step, the coherence properties of a coupled quantum dot microcavity system are investigated within a joint theoretical and experimental work. Via temperature dependent two-photon interference measurements the single dephasing mechanisms of this system are extracted via modelling the results with a microscopic theory. Based on this results, the strict resonant excitation of quantum dots was established as a experimental key technique and quantum dot photons with a two-photon interference visibility above 98 % were generated at low temperatures. For scalable and deterministic quantum dot devices, one either needs to control the growth spot of a quantum dot or the position of an etched microcavity has to be aligned to the position of a self-organized quantum dot. In the subsequent parts if this work, studies on both technological approaches are presented. First, spectroscopic experiments on site controlled quantum dots were carried out. Via etched nanoholes, the nucleation spot of the quantum dot is defined. These etched surfaces may lead to defect states, which decrease the coherence of the quantum dot emission. In order to avoid these detrimental influence, the strict resonant excitation of such site controlled quantum dots is established and the coherent coupling of the site controlled quantum dot exciton to the resonant laser field is observed. In addition, deterministic control of the site controlled quantum dot population is achieved, which is verified via the observation of the first Rabi-oscillation. Finally, the so-called in-situ-lithography is presented, which allows for the lateral alignment of a self-organized quantum dot and the fundamental mode of a micropillar. Using this technique, an overall collection efficiency of single photons from a pre-selected quantum dot with a small linewidth of almost 75 % is shown. The coherence of this quantum dot was notably, which is demonstrated by a two-photon interference visibility as high as $\nu=(88\pm3)~\%$. In summary, an efficient source of single and indistinguishable photons was realized in this thesis, which is an important step towards the fabrication of deterministic quantum dot devices for quantum mechanical applications.

Technologien, die im wesentlichen auf quantenmechanischen Gesetzen beruhen, wie die Quanteninformationsverarbeitung und die Quantenkommunikation, sind weltweit Gegenstand enormer Forschungsanstrengungen. Sie nutzen die einzigartigen Eigenschaften einzelner Quantenteilchen, wie zum Beispiel die Verschränkung und die Superposition, um ultra-schnelle Rechner und eine absolut abhörsichere Datenübertragung mithilfe von photonischen Qubits zu realisieren. Dabei ergeben sich Herausforderungen bei der Quantenkommunikation über große Distanzen: Die Reichweite der Übertragung von Quantenzuständen ist aufgrund von Photonenverlusten in den Übertragungskanälen limitiert und wegen des No-Cloning-Theorems ist eine klassische Aufbereitung der Information nicht möglich. Dieses Problem könnte über den Einsatz von Quantenrepeatern, die in den Quantenkanal zwischen Sender und Empfäger eingebaut werden, gelöst werden. Bei der Auswahl einer geeigneten Technologieplattform für die Realisierung eines Quantenrepeaters sollten die Kriterien der Kompaktheit und Skalierbarkeit berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang spielen Halbleiterquantenpunkte eine wichtige Rolle, da sie sich nicht nur als Zwei-Niveau-Systeme ideal für die Konversion und Speicherung von Quantenzuständen sowie für die Erzeugung von fliegenden Qubits eignen, sondern auch mit den gängigen Mitteln der Halbleitertechnologie und entsprechender Skalierbarkeit realisierbar sind. Ein Schlüssel zur erfolgreichen Implementierung dieser Technologie liegt in der Zusammenführung des Quantenpunktes als Quantenspeicher mit einem Bauteil, welches einzelne Photonen einfangen und aussenden kann: ein Mikroresonator. Aufgrund der Lokalisierung von Elektron und Photon über einen längeren Zeitraum auf den gleichen Ort kann die Effizienz des Informationstransfers zwischen fliegenden und stationären Qubits deutlich gesteigert werden. Des Weiteren können Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in Resonatoren genutzt werden, um hocheffiziente Lichtquellen zur Erzeugung nichtklassischen Lichts für Anwendungen in der Quantenkommunikation zu realisieren. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit Halbleiterquantenpunkte mithilfe von spektroskopischen Methoden hinsichtlich ihres Anwendungspotentials in der Quantenkommunikation untersucht. Die verwendeten Quantenpunkte bestehen aus In(Ga)As eingebettet in eine GaAs-Matrix und sind als aktive Schicht in vertikal emittierende Mikroresonatoren auf Basis von dielektrischen Spiegeln integriert. Dabei werden entweder planare Strukturen verwendet, bei denen die Spiegel zur Erhöhung der Auskoppeleffizienz von Photonen dienen, oder aber Mikrosäulenresonatoren, die es ermöglichen, Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in Resonatoren zu beobachten. Zur Untersuchung der Strukturen wurden Messplätze zur Photolumineszenz-, Resonanzfluoreszenz-,Reflexions- und Photostromspektroskopie sowie zu Photonenkorrelationsmessungen erster und zweiter Ordnung aufgebaut oder erweitert und eingesetzt. Reflexions- und Photolumineszenzspektroskopie an Mikrosäulenresonatoren mit sehr hohen Güten: Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Mikrosäulenresonators ist seine Güte, auch Q-Faktor genannt. Er beeinflusst nicht nur das Regime der Licht-Materie-Wechselwirkung, sondern auch die Höhe der Auskoppeleffizienz eines Quantenpunkt-Mikrosäulenresonator-Systems. Vor diesem Hintergrund wird eine Analyse der Verlustmechanismen, die eine Abnahme des Q-Faktors bewirken, durchgeführt. Dazu wird die Güte von Mikrosäulenresonatoren mit Durchmessern im Bereich von 2 − 8 µm mithilfe von Reflexions- und Photolumineszenzspektroskopie gemessen. Aufgrund der erhöhten Absorption an nichtresonanten Quantenpunkten und freien Ladungsträgern sind die Verluste bei den Messungen in Photolumineszenzspektroskopie höher als in Reflexionsspektroskopie, wodurch die in Reflexionsspektroskopie ermittelten Q-Faktoren für alle Durchmesser größer sind. Für einen Quantenpunkt-Mikrosäulenresonator mit einem Durchmesser von 8 µm konnten Rekordgüten von 184.000 ± 8000 in Photolumineszenzspektroskopie und 268.000 ± 13.000 in Reflexionsspektroskopie ermittelt werden. Photostromspektroskopie an Quantenpunkt-Mikrosäulenresonatoren: Durch einen verbesserten Messaufbau und die Verwendung von Mikrosäulenresonatoren mit geringen Dunkelströmen konnte erstmals der Photostrom von einzelnen Quantenpunktexzitonlinien in elektrisch kontaktierten Mikroresonatoren detektiert werden. Dies war Voraussetzung, um Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen einem einzelnen Quantenpunktexziton und der Grundmode eines Mikrosäulenresonators elektrisch auszulesen. Hierzu wurden Photostromspektren in Abhängigkeit der Verstimmung zwischen Exziton und Kavitätsmode unter Anregung auf die Säulenseitenwand sowie in axialer Richtung durchgeführt. Unter seitlicher Anregung konnte der Purcell-Effekt, als Zeichen der schwachen Kopplung, über eine Abnahme der Photostromintensität des Quantenpunktes im Resonanzfall nachgewiesen werden und der entsprechende Purcell-Faktor zu Fp = 5,2 ± 0,5 bestimmt werden. Da die Transmission des Resonators bei der Anregung auf die Säulenoberseite von der Wellenlänge abhängt, ist die effektive Anregungsintensität eines exzitonischen Übergangs von der spektralen Verstimmung zwischen Exziton und Resonatormode bestimmt. Dadurch ergab sich im Gegensatz zur Anregung auf die Seitenwand des Resonators eine Zunahme des Photostroms in Resonanz. Auch in diesem Fall konnte ein Purcell-Faktor über eine Anpassung ermittelt werden, die einen Wert von Fp = 4,3 ± 1,3 ergab. Des Weiteren wird die kohärente optische Manipulation eines exzitonischen Qubits in einem Quantenpunkt-Mikrosäulenresonator gezeigt. Die kohärente Wechselwirkung des Zwei-Niveau-Systems mit den Lichtpulsen des Anregungslasers führt zu Rabi-Oszillationen in der Besetzungswahrscheinlichkeit des Quantenpunktgrundzustandes, die über dessen Photostrom ausgelesen werden können. Über eine Änderung der Polarisation des Anregungslasers wurde hier eine Variation der Kopplung zwischen dem Quantenemitter und dem elektromagnetischen Feld demonstriert. Interferenz von ununterscheidbaren Photonen aus Halbleiterquantenpunkten: Für die meisten technologischen Anwendungen in der Quantenkommunikation und speziell in einem Quantenrepeater sollten die verwendeten Quellen nicht nur einzelne sondern auch ununterscheidbare Photonen aussenden. Vor diesem Hintergrund wurden Experimente zur Interferenz von ununterscheidbaren Photonen aus Halbleiterquantenpunkten in planaren Resonatorstrukturen durchgeführt. Dazu wurde zunächst die Interferenz von Photonen aus einer Quelle demonstriert. Im Fokus der Untersuchungen stand hier der Einfluss der Anregungsbedingungen auf die Visibilität der Zwei-Photonen-Interferenz. So konnte in nichtresonanter Dauerstrichanregung ein nachselektierter Wert der Visibilität von V = 0,39 gemessen werden. Um den nicht nachselektierten Wert der Visibilität der Zwei-Photonen-Interferenz zu bestimmen, wurde die Einzelphotonenquelle gepulst angeregt. Während die Visibilität für nichtresonante Anregung in die Benetzungsschicht über ein Wiederbefüllen und zusätzliche Dephasierungsprozesse durch Ladungsträger auf einen Wert von 12% reduziert ist, konnte unter p-Schalen-Anregung in einem Hong-Ou-Mandel-Messaufbau eine hohe Visibilität von v = (69 ± 1) % erzielt werden. Außerdem wurde die Interferenz von zwei Photonen aus zwei räumlich getrennten Quantenpunkten demonstriert. Hierbei konnte eine maximale Visibilität von v = (39 ± 2)% für gleiche Emissionsenergien der beiden Einzelphotonenquellen erzielt werden. Durch die Änderung der Photonenenergie über eine Temperaturvariation eines der beiden Quantenpunkte konnten die Photonen der beiden Quellen zunehmend unterscheidbar gemacht werden. Dies äußerte sich in einer Abnahme der Interferenz-Visibilität. Um noch größere Visibilitäten der Zwei-Photonen-Interferenz zu erreichen, ist die resonante Anregung des Quantenpunktexzitons vielversprechend. Deswegen wurde ein konfokales Dunkelfeldmikroskop für Experimente zur Resonanzfluoreszenz aufgebaut und bereits Einzelphotonenemission sowie das Mollowtriplet im Resonanzfluoreszenzspektrum eines Quantenpunktexzitons nachgewiesen. / Technologies relying on the basic laws of quantum mechanics are subject to huge research interest all over the world. They use the unique properties of single quantum particles, like quantum entanglement and superposition, to allow for ultra-fast computers and absolutely secure data transfer with photonic qubits. However, there are some challenges with quantum communication over long distances. The transfer range is limited due to unavoidable photon losses in transfer channels and classic signal amplification is not possible because of the ’no-cloning-theorem’. This issue could be solved by integrating quantum repeaters into the quantum channel between the transmitter and the receiver. An appropriate technology platform for the implementation of a quantum repeater should satisfy the criteria of compactness and scalability. In this context, semiconductor quantum dots become important. As two-level-systems, quantum dots are not only suited for the conversion and storage of quantum states and the generation of flying qubits, but also offer the advantage to be realized with standard semiconductor technology and the corresponding scalability. The key to successfully implement this technology is to combine quantum dots with a device that can trap and emit photons: a microcavity. This device allows for increasing the interaction between the two-level-system and a photon by localizing both at the same place for an extended period of time. In addition, cavity quantum electrodynamics effects can be used to create highly efficient sources of non-classical light for applications in quantum communications. In this context, semiconductor quantum dots are studied in this thesis by means of spectroscopic methods with regard to their potential for applications in quantum communication. The quantum dots consist of In(Ga)As embedded in a GaAs matrix and are integrated into microcavities with distributed bragg reflectors. Here, either planar structures are used to increase the out-coupling efficiency of photons by an asymmetric cavity design or micropillars are applied to facilitate the observation of light-matter coupling in the cavity quantum electrodynamics regime. Furthermore, different experimental setups were extended or built to investigate these structures, including photoluminescence, resonance fluorescence, reflection and photocurrent spectroscopy and setups for measuring the first and second order correlation function. Reflection- and Photoluminescence Spectroscopy of Micropillar Cavities with Very Large Quality Factors One of the most important characteristics of a microresonator is its quality factor. It influences not only the regime of the light-matter interaction but also the out-coupling efficiency of a quantum dot-micropillar cavity system. In this context, an analysis of the loss channels that lead to a reduction of the quality factor is performed. For this purpose, the quality factor of micropillar cavities with different diameters in the range 2 − 8 µm are measured by reflection- and photoluminescence spectroscopy. Because of the increased absorption due to nonresonant quantum dots and free carriers, the photon losses in photoluminescence are larger than in reflection spectroscopy. Therefore, the quality factors measured in reflection spectroscopy are larger for each diameter. Record quality factors of 184,000 ± 8,000 in photoluminescence and 268,000 ± 13,000 were obtained for a quantum dot-micropillar cavity with a diameter of 8 µm. Photocurrent Spectroscopy on Quantum Dot-Micropillar Cavities: An improved experimental setup and the exploitation of micropillar cavities with reduced dark currents made it possible to observe single quantum dot exciton lines in the photocurrent signal of an electrically contacted microresonator. This was the precondition for the electrical readout of light-matter coupling effects between a single quantum emitter and the fundamental mode of a micropillar cavity. For this purpose, photocurrent spectra were taken as a function of the detuning between the exciton and the cavity mode under excitation either on the pillar sidewall or on top of the pillar. In sidewall excitation, the Purcell effect, as a clear sign of the weak coupling regime, could be observed through a reduced photocurrent signal of the quantum dot in resonance with the cavity mode and a corresponding Purcell factor of Fp = 5,2 ± 0,5. In top excitation, the transmission of the resonator is a function of the wavelength, i.e. the maximum transfer of light into the resonator occurs when the laser wavelength coincides with an optical resonance of the micropillar cavity. Therefore, the effective excitation power of the excitonic transition depends on the spectral detuning between the exciton and the cavity mode. Due to this detuning dependent excitation intensity, the photocurrent signal shows an increase at resonance, which is in contrast to the sidewall excitation scheme. Also, in this case a Purcell factor of Fp = 4,3 ± 1,3 was extracted by a fit to the experimental data. In addition, the coherent optical control of an excitonic qubit in a quantum dot micropillar cavity is demonstrated. The coherent interaction of the two-level system with the light pulses of the excitation laser leads to Rabi oscillations in the occupation probability of the quantum dot ground state, which were monitored via the photocurrent originating from the quantum dot. By changing the polarization angle of the exciting laser, a variation of the coupling between the quantum emitter and the electromagnetic field was observed. Interference of Indistinguishable Photons Emitted from Semiconductor Quantum Dots: Most technological applications in the field of quantum communication, and especially quantum repeaters, require photon sources of not only single but also indistinguishable photons. In this context, experiments on the interference of indistinguishable photons emitted from semiconductor quantum dots in planar resonator structures were performed. First, the interference of consecutively emitted photons from the same quantum dot is studied. The investigation focuses on the influence of the excitation condition on the two-photon interference visibility. In nonresonant continuous wave excitation, a postselected value of the two-photon interference visibility of V = 0,39 is measured. To obtain the non-postselected value, the excitation of the single photon source has to be pulsed. Recapturing and dephasing processes of additional charge carriers reduce the nonpostselected visibility for nonresonant excitation into the wetting layer states to a value of 12%, while for p-shell excitation, a larger visibility of v = (69 ± 1) % was achieved in a Hong-Ou-Mandel setup.Furthermore, the interference of two photons from two spatially separated quantum dots is demonstrated. Here, a maximum visibility of v = (39 ± 2)% was achieved for equal emission energies of both single photon sources. By changing the emission energy of one of the two quantum dots via a variation of its temperature, the photons emitted from each source could be made increasingly distinguishable, resulting in a decrease of the interference visibility. To obtain even larger two-photon interference visibilities, a strict resonant excitation of the quantum dot exciton is very promising. Hence, a confocal dark field microscope was built for experiments in resonance fluorescence. Single photon emission as well as the Mollow triplet were already identified in resonance fluorescence.

No description available.

Stuttgart, Univ., Diss., 2001.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird die zeitliche Korrelation von Photonen untersucht, welche durch parametrischer Fluoreszenz in einem nichtlinearen Medium innerhalb eines Resonators erzeugt werden. Dafür wird eine komplette theoretische Beschreibung hergeleitet, welche die zeitlichen Korrelationen zwischen signal-idler, signal-signal und signal-signal-idler Photonen mittels spektraler Eigenschaften der Photonenquelle beschreibt. Damit lässt sich der Einfluss des Resonators auf die zeitlichen Korrelationen bestimmen. Passende experimentelle Messungen werden präzise durch diese Theorie beschrieben, wodurch diese bestätigt werden konnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird erstmalig die Austauschphase von Photonen direkt gemessen. Um die Austauschphase in einer direkten Messung zu bestimmen, muss der ursprüngliche Zwei-Photonen-Zustand mit seinem permutierten Zustand interferieren. Für die experimentelle Umsetzung wird ein neues spezielles Interferometer benötigt, welches hier vorgestellt und charakterisiert wird. Mithilfe der durchgeführten Experimente konnten die bosonischen Eigenschaften von Photonen nachgewiesen und eine untere Grenze für eine direkt gemessen Austauschphase festgelegt werden. Der letzte Teil dieser Arbeit untersucht Frequenzkonversion in nichtlinearen Medien. Durch die Verwendung mehrere Kornversionsschritte ist es z.B. möglich die Erzeugung von Rauschphotonen bei bestimmten Zielwellenlänge zu verhindern. Hier wird eine Möglichkeit vorgestellt bei der mehrere Kornversionsschritte innerhalb eines nichtlinearen Kristalls realisiert werden, indem der Kristall lokal verschieden temperiert wird. Die Durchführbarkeit dieser Technik wurde theoretisch untersucht und experimentell bestätigt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten werden ausführlich diskutiert. / The first part of this thesis investigates the temporal correlation of photons, generated in a spontaneous parametric down-conversion process inside of a nonlinear crystal, which is placed in a resonator to enhance specific emission lines. However, the cavity influences the temporal correlation of the photons, which is crucial for most applications. This thesis derives a complete theory to describe the temporal correlations of signal-idler, signal-signal and signal-signal-idler photons using the spectral properties of the photon source. The derived theoretical description precisely predicts the experimental measurements, which were performed to verify the theory. In the second part the exchange phase of photon is measured directly for the first time. Directly, this can only be verified experimentally by interference between the two-photon state and its permuted form. Here a new interferometer technique is introduced to directly determine the photon exchange phase. The experimental results provide evidence of the bosonic nature of photons and state a lower bound for a directly measured exchange phase of photons. The last part deals with frequency conversion in nonlinear materials. Depending on the wavelengths involved, the conversion processes introduce noise at the target wavelength, which is critical at the single photon level. Then multiple conversion steps are required for a low noise frequency conversion. We present an approach to realize multiple conversion steps with a single nonlinear crystal by applying different local temperatures to that nonlinear crystal. The feasibility of that approach is confirmed experimentally and further possible applications are considered.

Sources of single and polarization-entangled photons are an essential component in a variety of potential quantum information applications. Suitable emitters need to generate photons deterministically and at fast repetition rates, with highest degrees of single-photon purity, entanglement and indistinguishability. Semiconductor quantum dots are among the leading candidates for this task, offering entangled-photon pair emission on-demand, challenging current state-of-the-art sources based on the probabilistic spontaneous parametric down-conversion (SPDC). Unfortunately, their susceptibility to perturbations from the solid-state environment significantly affects the photon coherence and entanglement degree. Furthermore, most quantum dot types suffer from poor wavelength control and emitter yield, due to a random growth process. This thesis investigates the emerging family of GaAs/AlGaAs quantum dots obtained by in-situ Al droplet etching and nanohole infilling. Particular focus is laid on the interplay of growth parameters, quantum dot morphology and optical properties. An unprecedented emission wavelength control with distributions as narrow as ± 1 nm is achieved, using four independent growth parameters: The GaAs infilling amount, the deposition sequence, the migration time and the Al concentration in the barrier material. This enables the generation of large emitter ensembles tailored to match the optical transitions of rubidium, a leading quantum memory candidate. The photon coherence is enhanced by an optimized As flux during the growth process using the GaAs surface reconstruction. With these improvements, we demonstrate for the first time two-photon interference from separate, frequency-stabilized quantum dots using a rubidium-based Faraday filter as frequency reference. Two-photon resonant excitation of the biexciton state is employed for the coherent and deterministic generation of photon pairs with negligible multi-photon emission probability. The GaAs/AlGaAs quantum dots exhibit a very small average fine structure of (4.8 ±2.4) µeV and short average radiative lifetimes of 200 ps, enabling entanglement fidelities up to F = 0.94, which are among the highest reported for any entangled-photon source to date. Furthermore, almost all fabricated emitters on a single wafer exhibit fidelities beyond the classical limit - without any post-growth tuning. By embedding the quantum dots into a broadband-optical antenna we enhance the photon collection efficiency significantly without impairing the high degrees of entanglement. Thus, for the first time, quantum dots are able to compete with SPDC sources, paving the way towards the realization of a semiconductor-based quantum repeater - among many other key enabling quantum photonic elements.:Contents List of Figures ix List of Tables xiii 1 Introduction 1 1.1 Researchmotivation ...................1 1.1.1 Structure of this thesis ................. 3 1.2 Applications based on entangled photons ............. 4 1.2.1 Quantum bits ...................4 1.2.2 Quantum key distribution ................ 5 1.2.3 Qubit teleportation .................. 7 1.2.4 Teleportation of entanglement ..............9 1.2.5 The photonic quantumrepeater .............. 10 1.3 Generation of entangled photons ...............12 1.3.1 The ideal entangled-photon source ............. 12 1.3.2 Non-deterministic photon sources ............. 13 1.3.3 Deterministic photon sources ..............14 2 Fundamentals 17 2.1 Semiconductor quantumdots ................17 2.1.1 Introduction to semiconductor quantum dots .......... 17 2.1.2 Formation of confined excitonic states ............ 19 2.1.3 Energy hierarchy of excitonic states ............. 21 2.2 Entangled photons from semiconductor quantumdots ......... 22 2.2.1 The concept of entanglement ............... 22 2.2.2 Polarization-entangled photon pairs fromthe biexciton radiative decay .. 23 2.2.3 Origin and impact of the exciton fine structure splitting ....... 25 2.2.4 Impact of spin-scattering, dephasing and background photons on the degree of entanglement ..................29 2.3 Quantum dot entangled-photon sources - State of the art ........32 2.4 Exciton radiative lifetime .................. 34 2.4.1 The concept of radiative lifetime .............. 34 2.4.2 Measurement of the radiative lifetime ............35 2.5 Single-photon purity ...................37 2.5.1 Photon number distributions ............... 37 2.5.2 Second-order correlation function .............38 2.5.3 Measurement of the second-order correlation function ....... 40 2.6 Measurement of entanglement ................42 2.6.1 Quantum state tomography ...............43 2.7 Photon coherence and spectral linewidth .............46 2.7.1 The concept of coherence ................ 46 2.7.2 First-order coherence ................. 46 2.7.3 Relation between coherence and spectral linewidth ........ 49 2.7.4 homogeneous vs. inhomogeneous broadening in single quantumdots ..50 2.8 Photon indistinguishability .................51 2.8.1 Hong-Ou-Mandel interference ..............51 2.8.2 Hong-Ou-Mandel interference between photons fromseparate sources .. 52 2.8.3 The Bell state measurement with linear optics .......... 53 3 Experimentalmethods 55 3.1 The GaAs and AlAs material system ............... 55 3.2 Molecular beam epitaxy ..................56 3.2.1 The Concept of molecular beam epitaxy ...........56 3.2.2 Layout and components of the III-V Omicron MBE ........58 3.2.3 Growth parameters .................. 59 3.2.4 Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) ........ 60 3.2.5 Growth rate determination using RHEED oscillations .......61 3.3 Optical setups .....................63 4 Results 67 4.1 Growth of GaAs/AlGaAs quantum dots by in-situ Al droplet etching .....68 4.1.1 Motivation for the study of GaAs / AlGaAs quantum dots ......68 4.1.2 GaAs / AlGaAs quantum dot growth process ..........69 4.1.3 Interplay between growth parameters, quantumdot morphology and optical properties ................. 71 4.1.4 Nanohole morphology and quantumdot formation ........ 73 4.1.5 Optical characterization ................75 4.1.6 Deterministic wavelength control .............77 4.1.7 Photon coherence and radiative lifetime ...........84 4.1.8 Decoherence processes in semiconductor quantum dots ......86 4.1.9 Chamber conditioning and growth process optimization ......87 4.1.10 Arsenic flux calibration using the GaAs surface reconstruction ..... 88 4.1.11 Enhanced photon coherence after growth process adjustments ....92 4.2 Two-photon interference from frequency-stabilized GaAs/AlGaAs quantum dots .................94 4.2.1 Frequency tuning of semiconductor quantumdots ........95 4.2.2 Experimental setup .................. 95 4.2.3 Optical characterization of the separate GaAs/AlGaAs quantum dots ... 98 4.2.4 Faraday anomalous dispersion optical filter and frequency feedback ... 99 4.2.5 Two-photon interference between remote, frequency-stabilized quantum dots 100 4.3 Solid-state ensemble of highly entangled photon sources at rubidiumatomic transitions ........................102 4.3.1 Fine-structure splitting ................103 4.3.2 Resonant excitation of the biexciton state ...........105 4.3.3 Single photon purity and radiative lifetime ........... 107 4.3.4 Radiative lifetime of GaAs/AlGaAs quantumdots - comparison to other quantumdot types ...................108 4.3.5 Degree of entanglement ................109 4.3.6 Highly-efficient extraction of the obtained entangled photons ..... 116 5 Conclusions 119 5.1 Summary ....................... 119 5.2 Discussion and outlook ..................122 Bibliography 127 Publications and scientific presentations 150 Acknowledgments 154 Selbstständigkeitserklärung 157 Curriculum vitae 157