Generating and manipulating non-classical states of light in various quantum dot-cavity setups

Titelangaben

Seidelmann, Tim:
Generating and manipulating non-classical states of light in various quantum dot-cavity setups.
Bayreuth , 2023 . - vi, 67 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007041

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Abstract

In the course of the second quantum revolution, quantum mechanics is put to practice in novel quantum technologies like quantum information technology, quantum cryptography, or quantum computing. Non-classical states of light such as single photons or entangled photon pairs, that are at the heart of many fascinating applications in these fields, can be created in semiconductor quantum dot-cavity systems. This cumulative thesis theoretically investigates the possibility to generate and manipulate highly non-classical states of light in such systems. To this end, the influence of various system parameters, e.g., the energy of involved cavity modes, intrinsic electronic properties, or external optical excitation, is analyzed. Because quantum dots unavoidably interact with their semiconductor environment they are influenced by temperature-dependent lattice vibrations, i.e., phonons, which are known to have a profound impact, even at cryogenic temperatures. In order to assess the impact of longitudinal acoustic phonons on photonic figures of merit without any approximations to the microscopic description, a numerically complete path-integral approach is employed.
This thesis presents a variety of notable results that may pave the way towards more advanced sources of non-classical states of light. Assuming an initially excited quantum dot, the impact of different quantum dot-cavity configurations and phonons on polarization-entangled photon pairs is studied, highlighting the importance of direct two-photon processes. In contrast to previous expectations, parameter areas are found for certain configurations, where a phonon-induced enhancement of photon entanglement takes place.
The possibility to generate different types of entangled Bell states in continuously excited quantum emitter-cavity systems is discussed. Based on an in-depth numerical and analytic investigation of this system, a protocol realizing an active, time-dependent switching between different types of entanglement is proposed. In the case of strongly confined quantum dots, a phase transition-like behavior for photon pair states and the suppression of N-photon bundles due to the strong phonon impact in constantly driven systems is revealed. A profound phonon influence is also encountered during the investigation of shape-changing photon number distributions that emerge after the excitation with chirped laser pulses.
Precisely timed and tailored laser pulses are employed to investigate the quality of single photons and store individual photons in a metastable dark exciton state. Quite remarkably, it is uncovered that the widely used quantum regression theorem systematically overestimates the phonon impact on the indistinguishability. As highlight of the work, it is demonstrated that the achievable degree of photon entanglement in state-of-the-art experiments is limited due to a Stark-shift introduced by the two-photon resonant excitation scheme.
In total, this thesis gives detailed insights into the generation of non-classical states of light valuable to all working in photonic quantum technologies.

Abstract in weiterer Sprache

Im Zuge der zweite Quantenrevolution wird die Quantenmechanik in neuartigen Quantentechnologien, wie z.B. Quanteninformatik, Quantenkryptographie oder Quantencomputing, in die Praxis umgesetzt. Nichtklassische Lichtzustände, wie einzelnen Photonen oder verschränkte Photonpaare, die das Herzstück vieler faszinierenden Anwendungen in diesen Forschungsfeldern sind, können in Halbleiterquantenpunkt-Resonator-Systemen erzeugt werden. Diese kumulative Dissertation untersucht die Möglichkeit hochgradig nichtklassische Lichtzustände in solchen Systemen zu erzeugen und zu manipulieren auf theoretischer Ebene. Hierfür wird der Einfluss verschiedener Systemparameter, wie z.B. der Energie von Resonatormoden, intrinsischer elektronischer Eigenschaften oder äußerer, optischer Anregungen, analysiert. Da Quantenpunkte zwangsweise mit ihrer Halbleiterumgebung wechselwirken, werden sie von temperaturabhängigen Gitterschwingungen, d.h. Phononen, beeinflusst, von denen man weiß, dass sie bereits bei kryogenen Temperaturen einen tiefgreifenden Einfluss haben. Um die Auswirkungen von longitudinal akustischen Phononen auf photonische Kennzahlen zu beurteilen, ohne dass hierfür Näherungen an der mikroskopischen Beschreibung vorgenommen werden müssen, wird eine numerisch vollständige Pfadintegralmethode angewandt.
In dieser Dissertation wird eine Auswahl von beachtenswerten Ergebnissen präsentiert, welche den Weg hin zu fortgeschrittenen Quellen von nichtklassischen Lichtzuständen bereiten könnten. Ausgehend von einem anfänglich angeregter Quantenpunkt wird der Einfluss von verschiedenen Quantenpunkt-Resonator-Konfigurationen und von Phononen auf polarisationsverschränkte Photonpaare studiert, wodurch die Bedeutung von direkten Zweiphotonprozessen hervorgehoben wird. Im Gegensatz zu der bisherigen Erwartungshaltung, werden für bestimmte Konfigurationen Parameterbereiche gefunden, in denen eine von Phononen induzierte Verbesserung der Photonverschränkung auftritt.
Die Möglichkeit, verschiedene Arten von verschränkten Bellzuständen in konstant getriebenen Quantenemitter-Resonator-Systemen zu erzeugen, wird diskutiert.
Basierend auf ausführlichen numerischen und analytischen Untersuchungen dieses Systems, wird ein Protokoll vorgeschlagen, welches ein aktives, zeitabhängiges Hin- und Herschalten zwischen den verschiedenen Verschränkungstypen ermöglicht. Im Fall von stark begrenzten Quantenpunkten wird ein phasenübergangsähnliches Verhalten von Photonpaaren und die Unterdrückung von N-Photonbündeln aufgrund des starken Phononeinflusses in konstant getriebenen Systemen aufgezeigt. Ein tiefgreifender Phononeinfluss wird außerdem bei der Untersuchung von formveränderlichen Photonzahlverteilungen gefunden, welche nach der Anregung mit gechirpten Laserpulsen auftreten.
Zeitlich genau abgestimmte und maßgeschneiderte Laserpulse werden benutzt um die Qualität von einzelnen Photonen zu untersuchen und um individuelle Photonen in metastabilen, dunklen Exzitonzuständen zu speichern. Bemerkenswerterweise wird aufgedeckt, dass das häufig benutzte Quantenregressionstheorem den Phononeinfluss auf die Ununterscheidbarkeit systematisch überschätzt. Als Höhepunkt dieser Arbeit wird dargelegt, dass der erreichbare Verschränkungsgrad von Photonen in modernen Experimenten durch eine Starkverschiebung begrenzt wird, welche durch das zweiphotonresonante Anregungsschema hervorgerufen wird.
Insgesamt gibt diese Dissertation detaillierte Einblicke in die Erzeugung nichtklassischer Lichtzustände, die für jeden, der im Bereich photonischer Quantentechnologien arbeitet, nützlich sind.