@phdthesis{Unsleber2016,
  author    = {Unsleber, Sebastian Philipp},
  title     = {Festk{\"o}rperbasierte Einzelphotonenquellen als Grundbausteine der Quanteninformationstechnologie},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-147322},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {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 zuk{\"u}nftigen quantenphysikalischen Anwendungen wie der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputer. Diese Konzepte nutzen gezielt quantenmechanische Systeme um einerseits Kommunikation absolut abh{\"o}rsicher zu machen oder um neuartige Computer zu konstruieren, die bestimmte Aufgaben - wie die Produktzerlegung großer Zahlen - effizienter l{\"o}sen als heutige Systeme. Ein m{\"o}gliche Realisierung der Quantenkommunikation ist beispielsweise die Schl{\"u}sselverteilung zwischen zwei Parteien durch Verwendung des BB84-Protokolls. Dazu wird eine Lichtquelle ben{\"o}tigt, welche die physikalisch kleinstm{\"o}gliche Lichtmenge - ein einzelnes Photon - aussendet. Der Kommunikationskanal wird dann {\"u}ber verschiedene Polarisationszust{\"a}nde dieser Photonen gegen ein Abh{\"o}ren nach außen hin abgesichert. Da die maximale Kommunikationsdistanz aufgrund von Verlusten im Quantenkanal beschr{\"a}nkt ist, muss das Signal f{\"u}r gr{\"o}ßere Distanzen mit Hilfe eines sog. Quantenrepeaters aufbereitet werden. Ein solcher kann ebenfalls unter Verwendung von Einzelphotonenquellen realisiert werden. Das Konzept des Quantenverst{\"a}rkers stellt aber die zus{\"a}tzliche Anforderung an die Einzelphotonenquelle, dass die ausgesendeten Lichtteilchen in der Summe ihrer Eigenschaften wie Energie und Polarisation immer gleich und somit ununterscheidbar sein m{\"u}ssen. Auf Basis solcher ununterscheidbarer Photonen gibt es zudem mit dem linear optischen Quantenrechner auch m{\"o}gliche theoretische Ans{\"a}tze zur Realisierung eines Quantencomputers. Dabei kann {\"u}ber die Quanteninterferenz von ununterscheidbaren Photonen an optischen Bauteilen wie Strahlteilern ein Quanten-NOT-Gatter zur Berechnung spezieller Algorithmen realisiert werden. Als vielversprechende Kandidaten f{\"u}r eine solche Lichtquelle einzelner Photonen haben sich in den letzten Jahren Halbleiter-Quantenpunkte herauskristallisiert. Dank des festk{\"o}rperbasierten Ansatzes k{\"o}nnen diese Strukturen in komplexe photonische Umgebungen zur Erh{\"o}hung der Photonen-Extraktionseffizienz und -Emissionsrate eingebettet werden. Ziel dieser Arbeit war somit eine effiziente Quelle einzelner ununterscheidbarer Photonen zu realisieren. Im Hinblick auf die sp{\"a}tere Anwendbarkeit wurde der Fokus zudem auf die skalierbare bzw. deterministische Fabrikation der Quantenpunkt-Strukturen gelegt und zwei technologische Ans{\"a}tze - 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 k{\"o}nnen spektral scharfe Emissionslinien mit Linienbreiten bis knapp {\"u}ber 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 ungef{\"a}hr 7 \% h{\"o}here Indiumkonzentration im Vergleich zur nominellen Zusammensetzung des Volumenmaterials besitzen, gefunden. {\"U}ber 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 Ladungstr{\"a}gerkomplexe binden k{\"o}nnen. Anschließend wurde der Fokus auf InGaAs-Quantenpunkte gelegt und zun{\"a}chst im Rahmen einer experimentellen und theoretischen Gemeinschaftsarbeit die Koh{\"a}renzeigenschaften eines gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavit{\"a}t-Systems untersucht. {\"U}ber temperaturabh{\"a}ngige 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 Schl{\"u}sseltechnik etabliert. Damit konnten bei tiefen Temperaturen nahezu vollst{\"a}ndig ununterscheidbare Photonen durch eine Zwei-Photonen Interferenz Visibilit{\"a}t von {\"u}ber 98 \% nachgewiesen werden. F{\"u}r ein skalierbares und deterministisches Quantenpunkt-Bauelement ist entweder die Kontrolle {\"u}ber die Position an welcher der Quantenpunkt gewachsen wird n{\"o}tig, oder die Position an der eine Mikrokavit{\"a}t ge{\"a}tzt wird muss auf die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes abgestimmt werden. Im weiteren Verlauf werden Untersuchungen an beiden technologischen Ans{\"a}tzen durchgef{\"u}hrt. Zun{\"a}chst wurde der Fokus auf positionierte Quantenpunkte gelegt. Mittels in das Substrat ge{\"a}tzter Nanol{\"o}cher wird der Ort der Quantenpunkt-Nukleation festgelegt. Durch die ge{\"a}tzten Grenzfl{\"a}chen in Quantenpunkt-N{\"a}he entstehen jedoch auch Defektzust{\"a}nde, die negativen Einfluss auf die Koh{\"a}renz der Quantenpunkt-Emission nehmen. Deshalb wurde an diesem Typus von Quantenpunkten die strikt resonante Anregung etabliert und zum ersten Mal die koh{\"a}rente Kopplung des Exzitons an ein resonantes Lichtfeld demonstriert. Zudem konnte die deterministische Kontrolle der Exzitonbesetzung {\"u}ber den Nachweis einer Rabi-Oszillation gezeigt werden. Abschließend wird das Konzept der kryogenen in-situ-Lithographie vorgestellt. Diese erlaubt die laterale Ausrichtung der Mikrokavit{\"a}t an die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes. Damit konnte gezielt die Emission eines zuvor ausgew{\"a}hlten, spektral schmalen Quantenpunktes mit nahezu 75 \% Gesamteffizienz eingesammelt werden. Die Ununterscheidbarkeit der Quantenpunkt-Photonen war dabei mit einer Zwei-Photonen Interferenz Visibilit{\"a}t von bis zu \$\nu=(88\pm3)~\\%\$ sehr hoch. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Einzelphotonenquelle realisiert, aus der sich sehr effizient koh{\"a}rente Photonen auskoppeln lassen, was einen wichtigen Schritt hin zur deterministischen Fabrikation von Lichtquellen f{\"u}r quantenphysikalischen Anwendungen darstellt.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Gold2014,
  author    = {Gold, Peter},
  title     = {Quantenpunkt-Mikroresonatoren als Bausteine f{\"u}r die Quantenkommunikation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-121649},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {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 Verschr{\"a}nkung und die Superposition, um ultra-schnelle Rechner und eine absolut abh{\"o}rsichere Daten{\"u}bertragung mithilfe von photonischen Qubits zu realisieren. Dabei ergeben sich Herausforderungen bei der Quantenkommunikation {\"u}ber große Distanzen: Die Reichweite der {\"U}bertragung von Quantenzust{\"a}nden ist aufgrund von Photonenverlusten in den {\"U}bertragungskan{\"a}len limitiert und wegen des No-Cloning-Theorems ist eine klassische Aufbereitung der Information nicht m{\"o}glich. Dieses Problem k{\"o}nnte {\"u}ber den Einsatz von Quantenrepeatern, die in den Quantenkanal zwischen Sender und Empf{\"a}ger eingebaut werden, gel{\"o}st werden. Bei der Auswahl einer geeigneten Technologieplattform f{\"u}r die Realisierung eines Quantenrepeaters sollten die Kriterien der Kompaktheit und Skalierbarkeit ber{\"u}cksichtigt werden. In diesem Zusammenhang spielen Halbleiterquantenpunkte eine wichtige Rolle, da sie sich nicht nur als Zwei-Niveau-Systeme ideal f{\"u}r die Konversion und Speicherung von Quantenzust{\"a}nden sowie f{\"u}r die Erzeugung von fliegenden Qubits eignen, sondern auch mit den g{\"a}ngigen Mitteln der Halbleitertechnologie und entsprechender Skalierbarkeit realisierbar sind. Ein Schl{\"u}ssel zur erfolgreichen Implementierung dieser Technologie liegt in der Zusammenf{\"u}hrung des Quantenpunktes als Quantenspeicher mit einem Bauteil, welches einzelne Photonen einfangen und aussenden kann: ein Mikroresonator. Aufgrund der Lokalisierung von Elektron und Photon {\"u}ber einen l{\"a}ngeren Zeitraum auf den gleichen Ort kann die Effizienz des Informationstransfers zwischen fliegenden und station{\"a}ren Qubits deutlich gesteigert werden. Des Weiteren k{\"o}nnen Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in Resonatoren genutzt werden, um hocheffiziente Lichtquellen zur Erzeugung nichtklassischen Lichts f{\"u}r 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 Erh{\"o}hung der Auskoppeleffizienz von Photonen dienen, oder aber Mikros{\"a}ulenresonatoren, die es erm{\"o}glichen, Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung in Resonatoren zu beobachten. Zur Untersuchung der Strukturen wurden Messpl{\"a}tze zur Photolumineszenz-, Resonanzfluoreszenz-,Reflexions- und Photostromspektroskopie sowie zu Photonenkorrelationsmessungen erster und zweiter Ordnung aufgebaut oder erweitert und eingesetzt. Reflexions- und Photolumineszenzspektroskopie an Mikros{\"a}ulenresonatoren mit sehr hohen G{\"u}ten: Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Mikros{\"a}ulenresonators ist seine G{\"u}te, auch Q-Faktor genannt. Er beeinflusst nicht nur das Regime der Licht-Materie-Wechselwirkung, sondern auch die H{\"o}he der Auskoppeleffizienz eines Quantenpunkt-Mikros{\"a}ulenresonator-Systems. Vor diesem Hintergrund wird eine Analyse der Verlustmechanismen, die eine Abnahme des Q-Faktors bewirken, durchgef{\"u}hrt. Dazu wird die G{\"u}te von Mikros{\"a}ulenresonatoren mit Durchmessern im Bereich von 2 - 8 µm mithilfe von Reflexions- und Photolumineszenzspektroskopie gemessen. Aufgrund der erh{\"o}hten Absorption an nichtresonanten Quantenpunkten und freien Ladungstr{\"a}gern sind die Verluste bei den Messungen in Photolumineszenzspektroskopie h{\"o}her als in Reflexionsspektroskopie, wodurch die in Reflexionsspektroskopie ermittelten Q-Faktoren f{\"u}r alle Durchmesser gr{\"o}ßer sind. F{\"u}r einen Quantenpunkt-Mikros{\"a}ulenresonator mit einem Durchmesser von 8 µm konnten Rekordg{\"u}ten von 184.000 ± 8000 in Photolumineszenzspektroskopie und 268.000 ± 13.000 in Reflexionsspektroskopie ermittelt werden. Photostromspektroskopie an Quantenpunkt-Mikros{\"a}ulenresonatoren: Durch einen verbesserten Messaufbau und die Verwendung von Mikros{\"a}ulenresonatoren mit geringen Dunkelstr{\"o}men 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 Mikros{\"a}ulenresonators elektrisch auszulesen. Hierzu wurden Photostromspektren in Abh{\"a}ngigkeit der Verstimmung zwischen Exziton und Kavit{\"a}tsmode unter Anregung auf die S{\"a}ulenseitenwand sowie in axialer Richtung durchgef{\"u}hrt. Unter seitlicher Anregung konnte der Purcell-Effekt, als Zeichen der schwachen Kopplung, {\"u}ber eine Abnahme der Photostromintensit{\"a}t 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 S{\"a}ulenoberseite von der Wellenl{\"a}nge abh{\"a}ngt, ist die effektive Anregungsintensit{\"a}t eines exzitonischen {\"U}bergangs 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 {\"u}ber eine Anpassung ermittelt werden, die einen Wert von Fp = 4,3 ± 1,3 ergab. Des Weiteren wird die koh{\"a}rente optische Manipulation eines exzitonischen Qubits in einem Quantenpunkt-Mikros{\"a}ulenresonator gezeigt. Die koh{\"a}rente Wechselwirkung des Zwei-Niveau-Systems mit den Lichtpulsen des Anregungslasers f{\"u}hrt zu Rabi-Oszillationen in der Besetzungswahrscheinlichkeit des Quantenpunktgrundzustandes, die {\"u}ber dessen Photostrom ausgelesen werden k{\"o}nnen. {\"U}ber eine {\"A}nderung der Polarisation des Anregungslasers wurde hier eine Variation der Kopplung zwischen dem Quantenemitter und dem elektromagnetischen Feld demonstriert. Interferenz von ununterscheidbaren Photonen aus Halbleiterquantenpunkten: F{\"u}r 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 durchgef{\"u}hrt. Dazu wurde zun{\"a}chst die Interferenz von Photonen aus einer Quelle demonstriert. Im Fokus der Untersuchungen stand hier der Einfluss der Anregungsbedingungen auf die Visibilit{\"a}t der Zwei-Photonen-Interferenz. So konnte in nichtresonanter Dauerstrichanregung ein nachselektierter Wert der Visibilit{\"a}t von V = 0,39 gemessen werden. Um den nicht nachselektierten Wert der Visibilit{\"a}t der Zwei-Photonen-Interferenz zu bestimmen, wurde die Einzelphotonenquelle gepulst angeregt. W{\"a}hrend die Visibilit{\"a}t f{\"u}r nichtresonante Anregung in die Benetzungsschicht {\"u}ber ein Wiederbef{\"u}llen und zus{\"a}tzliche Dephasierungsprozesse durch Ladungstr{\"a}ger auf einen Wert von 12\% reduziert ist, konnte unter p-Schalen-Anregung in einem Hong-Ou-Mandel-Messaufbau eine hohe Visibilit{\"a}t von v = (69 ± 1) \% erzielt werden. Außerdem wurde die Interferenz von zwei Photonen aus zwei r{\"a}umlich getrennten Quantenpunkten demonstriert. Hierbei konnte eine maximale Visibilit{\"a}t von v = (39 ± 2)\% f{\"u}r gleiche Emissionsenergien der beiden Einzelphotonenquellen erzielt werden. Durch die {\"A}nderung der Photonenenergie {\"u}ber eine Temperaturvariation eines der beiden Quantenpunkte konnten die Photonen der beiden Quellen zunehmend unterscheidbar gemacht werden. Dies {\"a}ußerte sich in einer Abnahme der Interferenz-Visibilit{\"a}t. Um noch gr{\"o}ßere Visibilit{\"a}ten der Zwei-Photonen-Interferenz zu erreichen, ist die resonante Anregung des Quantenpunktexzitons vielversprechend. Deswegen wurde ein konfokales Dunkelfeldmikroskop f{\"u}r Experimente zur Resonanzfluoreszenz aufgebaut und bereits Einzelphotonenemission sowie das Mollowtriplet im Resonanzfluoreszenzspektrum eines Quantenpunktexzitons nachgewiesen.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}