@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}
}
@article{RauHeindelUnsleberetal.2014,
  author    = {Rau, Markus and Heindel, Tobias and Unsleber, Sebastian and Braun, Tristan and Fischer, Julian and Frick, Stefan and Nauerth, Sebastian and Schneider, Christian and Vest, Gwenaelle and Reitzenstein, Stephan and Kamp, Martin and Forchel, Alfred and H{\"o}fling, Sven and Weinfurter, Harald},
  title     = {Free space quantum key distribution over 500 meters using electrically driven quantum dot single-photon sources-a proof of principle experiment},
  series = {New Journal of Physics},
  volume    = {16},
  journal   = {New Journal of Physics},
  number    = {043003},
  doi       = {10.1088/1367-2630/16/4/043003},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-116760},
  year      = {2014},
  abstract  = {Highly efficient single-photon sources (SPS) can increase the secure key rate of quantum key distribution (QKD) systems compared to conventional attenuated laser systems. Here we report on a free space QKD test using an electrically driven quantum dot single-photon source (QD SPS) that does not require a separate laser setup for optical pumping and thus allows for a simple and compact SPS QKD system. We describe its implementation in our 500 m free space QKD system in downtown Munich. Emulating a BB84 protocol operating at a repetition rate of 125 MHz, we could achieve sifted key rates of 5-17 kHz with error ratios of 6-9\% and g((2))(0)-values of 0.39-0.76.},
  language  = {en}
}