Semiconductor Quantum Optics at Telecom Wavelengths

• Quantum technologies are an expanding field in physics and engineering concerning the development of protocols and devices that enable augmented or novel applications based on quantum mechanics. This includes amongst others quantum computation and quantum communication. Quantum computers promise a computational speed–up based on superposition relevant for optimization and simulation problems, as well as for factorizing of large numbers, which poses a threat to our classical encryption schemes. Quantum communication offers a solution to this issue by providing an unconditionally secure communication channel based on the laws of quantum mechanics. Moreover, quantum communication would allow the exchange of quantum information between remote quantum computers, enabling distributed quantum computing. An infrastructure that links quantum computers or processors is referred to as a quantum network. Stationary quantum bits at the network nodes are used for performing information processing or storing operations, while flying quantum bits connect the nodes and enable the transfer of quantum information. Photons are excellent flying quantum bits, as they travel at the speed of light and have a small interaction cross–section. Consequently, quantum networks require sources of quantum states of light to provide flying quantum bits. These quantum states of light need to be entangled, indistinguishable and wavelength–matched such that they either experience low transmission losses in networks or can be interfaced with other quantum technologies like atom–based quantum memories. In this thesis the emission of single, indistinguishable or entangled photons from single self–assembled optically active semiconductor quantum dots, our quantum emitter of choice, has been studied. The investigated quantum dots emit either in the telecom range or close to the D1–transition in Rubidium. The main aspects of the experiments performed in this thesis were to research the integrability of the emitters into future quantum networks by making them wavelength–tunable, integrating them into photonic structures and employing resonant excitation schemes in order to generate photons with unprecedented purity, indistinguishability or entanglement concurrence. In the telecom range, we study InAsP nanowire quantum dots whose emission is shifted from the near–infrared range up to the telecom O–band and C–band. Single photon emission is demonstrated with decay times of the quantum dots similar to their near–infrared counterparts. Furthermore, InAs/GaAs quantum dots emitting in the telecom C–band are integrated onto piezo–electric substrates, and their emission is modulated into sidebands by using commercial telecommunication equipment. We generate on–demand single photons using a two–photon resonant excitation scheme and on–demand entangled photons via a phonon–assisted resonant scheme. Droplet–etched GaAs quantum dots with emission in the vicinity of the D1–Rubidium transition have been excited via two–photon resonant excitation to generate single photons with unparalleled purity and highly entangled photon pairs to perform entanglement swapping. Under resonance fluorescence, single and highly indistinguishable photons are extracted. Both resonant excitation schemes are theoretically compared to reveal the limitations of the two techniques. Moreover, these quantum dots are integrated into piezo–tunable broad–band micro parabolic cavities for an enhanced extraction efficiency.  

• Kvantteknologi är ett växande fält inom både teoretisk och tillämpad fysik som fokuserar på att utveckla protokoll och applikationer som utnyttjar kvantmekaniska fenomen. Exempel på detta inkluderar kvantdatorer och kvantkommunikation. Kvantdatorer utlovar en ökad beräkningshastighet grundad i superposition, vilket är relevant för optimerimg och simulering samt faktorisering av stora tal vilket utgör ett hot för klassisk kryptering. Kvantkommunikation utgör en lösning till detta problem och erbjuder kommunikation vars säkerhet är garanterad av kvantmekanikens lagar. Utöver detta möjliggör kvantkommunikation utbyte av kvantinformation mellan avlägsna kvantdatorer vilket tillåter utspridning av kvantberäkningar. En infrastruktur som möjliggör sammankopplingen av kvantdatorer eller kvantprocessorer kallas även för ett kvantnätverk. Stationära kvantbitar vid noderna av nätverket används för att förvara och behandla kvantinformation medan flygande kvantbitar kopplar samman noderna och används för utbyte av kvantinformation. Fotoner är exemplariska flygande kvantbitar då de färdas med ljusets hastighet och har ett lågt interaktionstvärsnitt . En konsekvens av detta är att kvantnätverk kräver kvanttillstånd av ljus att agera som flygande kvantbitar. Dessa kvantiserade ljustillstånd har stränga krav att vara intrasslade, oskiljbara och matcha i våglängd så attt de antingen upplever små förluster vid transport i optiska fiber eller att de matchar till andra kvantteknologier som atom baserade kvantminnen.I denna avhandling har utstrålningen av enstaka, oskiljbara eller intrasslade fotoner studerats från enstaka självmonterade optiskt aktiva halvledare kvantprickar, vår föredragna kvanttillstånds genererare. Dessa kvantprickar producerar fotoner i telekomfrekvens eller nära D1-övergången i Rubidium. Huvudaspekten av denna avhandling har varit att experimentellt undersöka möjligheten att integrera dessa foton källor i kvantnätverk genom att möjliggöra våglängds-justering, integrera dem i optiska strukturer samt använda resonant excitation för att generera fotoner med ej tidigare skådad renhet, oskiljbarhet eller intrassling samstämmighet. För frekvenser nära telekomfrekvens undersöks InAsP kvantprickar i nanorör med utstrålning skiftad från nära infrarött till telekom O-band och C-band. Utstrålning av enstaka fotoner demonstreras med livsstid för kvantprickarna jämförbara med  deras nära infraröd motsvarigheter. Utöver detta har har kvantprickar av InAs/GaAs som utstrålar i telekom C-bandet integrerats på piezo-elektriska substrat, dess utstrålning modulerats till sidoband med hjälp av komersiell telekommunikationsutrustning och vi generear enstaka fotoner på begäran genom att använda två foton-resonant excitation och på begäran intrasslade fotoner via en fonon assisterad resonans.Dropetsade GaAs kvantprickar med utstrålning nära D1 Rubidium övergången har exciterats med hjälp av två foton-resonans för att generera enstaka fotoner med oöverträffad renhet och intrasslade fotoner som användes för att utföra intrasslings överföring. Vid resonant fluorescens kunde enstaka och oskiljbara fotoner utvinnas. Både resonanta excitations teknikerna jämförs teoretiskt för att undersöka deras begränsningar. Utöver detta integreras kvantprickarna på piezo-kontrollerad bredband microparabolisk kavitet för förhöjd utkopplings effektivitet.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Fysik -- Den kondenserade materiens fysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences -- Condensed Matter Physics (hsv//eng)

Nyckelord

Optik och fotonik

Optics and Photonics

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)