@phdthesis{Heindel2013,
  author    = {Heindel, Tobias},
  title     = {Elektrisch gepumpte Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen f{\"u}r die Quantenkommunikation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-105778},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Als erste kommerziell verf{\"u}gbare Technologie der Quanteninformation erm{\"o}glicht die Quanten-Schl{\"u}sselverteilung eine sichere Daten{\"u}bertragung indem einzelne Photonen oder quantenmechanisch verschr{\"a}nkte Photonenpaare zur Erzeugung eines Schl{\"u}ssels verwendet werden. Die hierf{\"u}r ben{\"o}tigten nicht-klassischen Photonen-Zust{\"a}nde k{\"o}nnen durch Halbleiter-Quantenpunkte erzeugt werden. Im Gegensatz zu anderen Quanten-Emittern wie isolierten Atomen, organischen Molek{\"u}len oder Fehlstellen in Diamantnanokristallen bieten diese zudem den Vorteil, direkt in komplexe Halbleiter-Mikrostrukturen integriert werden zu k{\"o}nnen. Quantenpunkte sind somit pr{\"a}destiniert f{\"u}r die Entwicklung neuartiger optoelektronischer Bauelemente auf einer skalierbaren Technologieplattform. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit die Eigenschaften elektrisch gepumpter Quantenpunkt-Mikrostrukturen untersucht. Als optisch aktives Medium dienen dabei selbstorganisierte InAs/GaAs-Quantenpunkte. Die Zielsetzung ist die Erzeugung nicht-klassischen Lichts f{\"u}r Anwendungen in der Quantenkommunikation, wobei ein besonderer Fokus auf dem elektrischen Betrieb der entsprechenden Quantenlichtquellen liegt. Dabei werden sowohl ausgepr{\"a}gte Resonatoreffekte im Regime der schwachen Licht-Materie-Wechselwirkung ausgenutzt, um helle Einzelphotonenquellen zu realisieren, als auch die Eigenschaften korrelierter Photonenpaare zweier spektral separierter Quantenpunkt-Zust{\"a}nde analysiert. Als Untersuchungsmethode wird in erster Linie die spektral und zeitlich hochaufl{\"o}sende Mikro-Lumineszenz-Spektroskopie bei kryogenen Temperaturen eingesetzt. Zudem erfolgen Experimente zur Photonenstatistik anhand von Messungen der Auto- sowie Kreuzkorrelationsfunktion zweiter Ordnung. Wie im Folgenden aufgef{\"u}hrt, gelingt dabei der Bogenschlag von grundlegenden Untersuchungen an Quantenpunkt-Mikrostrukturen bis hin zur erstmaligen Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in realistischen Experimenten zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung außerhalb einer gesch{\"u}tzten Laborumgebung. Elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen: F{\"u}r die Erzeugung elektrisch getriggerter, einzelner Photonen wurden Quantenpunkte in Mikroresonatoren eingebettet. Diese basieren auf dotierten, zylindrischen Fabry-P{\´e}rot Mikros{\"a}ulenresonatoren, deren Design bez{\"u}glich der Photonen-Auskoppeleffizienz optimiert wurde. […] Anhand von Messungen zur Photonenstatistik konnte f{\"u}r diese spektral resonant gekoppelten Quantenpunkt-Mikroresonatorsysteme sowohl unter kontinuierlicher- als auch unter gepulst-elektrischer Anregung Einzelphotonen-Emission nachgewiesen werden. […] Anhand einer eingehenden Analyse der Emissionsraten sowie der elektrischen Injektionseffizienzen bei Anregungs-Repetitionsraten von bis zu 220 MHz konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Mikroresonatoren zudem als {\"a}ußerst effiziente, elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen eingesetzt werden k{\"o}nnen. Sowohl bez{\"u}glich der Einzelphotonen-Emissionsraten von bis zu (47,0+/-6,9) MHz als auch der Gesamteffizienz der Bauteile bis hin zu (34+/-7) \% konnten dabei Rekordwerte erzielt werden. Korrelierte Photonenpaare elektrisch gepumpter Quantenpunkte: […] Quanten-Schl{\"u}sselverteilung mit elektrisch getriggerten Einzelphotonenquellen: Ausgehend von den grundlegenden Untersuchungen dieser Arbeit, erfolgte die erstmalige Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in Experimenten zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung. Basierend auf den eingehend analysierten Quantenpunkt-Mikroresonatoren, wurden dabei zwei Experimente in Freistrahloptik mit unterschiedlichen {\"U}bertragungsdistanzen durchgef{\"u}hrt. In beiden F{\"a}llen wurde ein BB84-Protokoll nachgeahmt, indem auf die einzelnen Photonen eine feststehende Abfolge von vier unterschiedlichen Polarisationszust{\"a}nden aufmoduliert wurde. Das erste Experiment, durchgef{\"u}hrt im Labormaßstab in W{\"u}rzburg, basierte auf einem Quantenkanal mit einer L{\"a}nge von etwa 40 cm und arbeitete bei einer Taktrate von 183 MHz. Die h{\"o}chste dabei erzielte ausgesiebte Schl{\"u}sselrate (engl. sifted-key rate) betrug 35,4 kbit/s bei einem Quanten-Bitfehlerverh{\"a}ltnis (QBER) von 3,8 \%. Der Einzelphotonen-Charakter der Emission innerhalb des Quantenkanals konnte jeweils eindeutig nachgewiesen werden […]. Das zweite Experiment zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung wurde mittels zweier Teleskope {\"u}ber eine Distanz von 500 m in der M{\"u}nchner Innenstadt zwischen den D{\"a}chern zweier Geb{\"a}ude der Ludwig-Maximilians-Universit{\"a}t realisiert. […] Bei einer Taktrate von 125 MHz konnte mit diesem System im Einzelphotonen-Regime eine maximale sifted-key rate von 11,6 kbit/s bei einem QBER von 6,2 \% erzielt werden. Diese erstmalige Implementierung elektrisch betriebener, nicht-klassischer Lichtquellen in Experimenten zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung stellt einen wichtigen Schritt hinsichtlich der Realisierung effizienter und praktikabler Systeme f{\"u}r die Quantenkommunikation dar.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}