Elektrisch gepumpte Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen für die Quantenkommunikation

• Main Author: Heindel, Tobias
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2013
• Subjects: Quantenpunkt; Lumineszenzdiode; Einzelphotonenemission; ddc:539
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/10577; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-105778; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-105778; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/10577/Heindel_Tobias_Einzelphotonenquellen.pdf

Als erste kommerziell verfügbare Technologie der Quanteninformation ermöglicht die Quanten-Schlüsselverteilung eine sichere Datenübertragung indem einzelne Photonen oder quantenmechanisch verschränkte Photonenpaare zur Erzeugung eines Schlüssels verwendet werden. Die hierfür benötigten nicht-klassischen Photonen-Zustände können durch Halbleiter-Quantenpunkte erzeugt werden. Im Gegensatz zu anderen Quanten-Emittern wie isolierten Atomen, organischen Molekülen oder Fehlstellen in Diamantnanokristallen bieten diese zudem den Vorteil, direkt in komplexe Halbleiter-Mikrostrukturen integriert werden zu können. Quantenpunkte sind somit prädestiniert für 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 für Anwendungen in der Quantenkommunikation, wobei ein besonderer Fokus auf dem elektrischen Betrieb der entsprechenden Quantenlichtquellen liegt. Dabei werden sowohl ausgeprägte Resonatoreffekte im Regime der schwachen Licht-Materie-Wechselwirkung ausgenutzt, um helle Einzelphotonenquellen zu realisieren, als auch die Eigenschaften korrelierter Photonenpaare zweier spektral separierter Quantenpunkt-Zustände analysiert. Als Untersuchungsmethode wird in erster Linie die spektral und zeitlich hochauflösende Mikro-Lumineszenz-Spektroskopie bei kryogenen Temperaturen eingesetzt. Zudem erfolgen Experimente zur Photonenstatistik anhand von Messungen der Auto- sowie Kreuzkorrelationsfunktion zweiter Ordnung. Wie im Folgenden aufgeführt, gelingt dabei der Bogenschlag von grundlegenden Untersuchungen an Quantenpunkt-Mikrostrukturen bis hin zur erstmaligen Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in realistischen Experimenten zur Quanten-Schlüsselverteilung außerhalb einer geschützten Laborumgebung. Elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen: Für die Erzeugung elektrisch getriggerter, einzelner Photonen wurden Quantenpunkte in Mikroresonatoren eingebettet. Diese basieren auf dotierten, zylindrischen Fabry-Pérot Mikrosäulenresonatoren, deren Design bezüglich der Photonen-Auskoppeleffizienz optimiert wurde. […] Anhand von Messungen zur Photonenstatistik konnte für 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 äußerst effiziente, elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen eingesetzt werden können. Sowohl bezüglich 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-Schlüsselverteilung mit elektrisch getriggerten Einzelphotonenquellen: Ausgehend von den grundlegenden Untersuchungen dieser Arbeit, erfolgte die erstmalige Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in Experimenten zur Quanten-Schlüsselverteilung. Basierend auf den eingehend analysierten Quantenpunkt-Mikroresonatoren, wurden dabei zwei Experimente in Freistrahloptik mit unterschiedlichen Übertragungsdistanzen durchgeführt. In beiden Fällen wurde ein BB84-Protokoll nachgeahmt, indem auf die einzelnen Photonen eine feststehende Abfolge von vier unterschiedlichen Polarisationszuständen aufmoduliert wurde. Das erste Experiment, durchgeführt im Labormaßstab in Würzburg, basierte auf einem Quantenkanal mit einer Länge von etwa 40 cm und arbeitete bei einer Taktrate von 183 MHz. Die höchste dabei erzielte ausgesiebte Schlüsselrate (engl. sifted-key rate) betrug 35,4 kbit/s bei einem Quanten-Bitfehlerverhältnis (QBER) von 3,8 %. Der Einzelphotonen-Charakter der Emission innerhalb des Quantenkanals konnte jeweils eindeutig nachgewiesen werden […]. Das zweite Experiment zur Quanten-Schlüsselverteilung wurde mittels zweier Teleskope über eine Distanz von 500 m in der Münchner Innenstadt zwischen den Dächern zweier Gebäude der Ludwig-Maximilians-Universität 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-Schlüsselverteilung stellt einen wichtigen Schritt hinsichtlich der Realisierung effizienter und praktikabler Systeme für die Quantenkommunikation dar. === Quantum key distribution is the first commercially available technology of quantum information and allows for secure data communication by utilizing single-photons or entangled photon-pairs for key generation. The required non-classical light states can be produced by semiconductor quantum dots. Compared to other quantum emitters, such as isolated atoms, organic molecules or vacancy centers in diamond nanocrystals, they offer the advantage of being capable for the integration into complex semiconductor microstructures. Therefore quantum dots are predestinated for the development of novel optoelectronic devices on a scalable technology platform. In this context, the work at hand explores the properties of electrically-pumped quantum dot microstructures. Thereby selforganized InAs/GaAs quantum dots serve as optically active medium. Aim of this work is the generation of non-classical light for applications in quantum communication, at which the study focuses specifically on electrical operation of the respective quantum light sources. In this framework pronounced cavity effects in the weak coupling regime of light-matter interaction will be employed to realize bright single-photon sources. Furthermore the properties of correlated photon-pairs from two spectrally-seperated quantum dot states will be analyzed. The structures were investigated by means of microluminescence spectroscopy with high spatial and temporal resolution. Moreover, experiments on the photon statistics were performed by measurements of the second-order auto- and cross-correlationfunction. As specified below, achievements within this study range from fundamental investigations on quantum dot microstructures to the first implementation of electrically-triggered quantum dot single-photon sources in realistic quantum key distribution experiments outside a shielded lab environment. Electrically-Triggered Single-Photon Sources: For the generation of electrically-triggered single-photons quantum dots were embedded in microcavities. The latter ones are based on doped Fabry-Pérot micropillar resonators featuring a design that was optimized for enhanced photon-exctraction effiency. […] Photon statistic measurements on these resonantly-coupled quantum dot micropillar systems prooved single-photon emission under continuous electrical as well as pulsed electrical excitation. […] A detailed investigation of the photon emission rates and carrier injection efficincies at excitation repetition rates of up to 220 MHz showed, that the micropillar cavities can be used as extremely efficient single-photon sources. Record high values for single-photon emission rates of up to (47.0+/-6.9) MHz as well as overall efficiencies of up to (34+/-7) % were achieved for these devices. Correlated Photon-Pairs of Electrically Pumped Quantum Dots: […] Quantum Key Distribution Using Electrically Triggered Single-Photon Sources: Based on the fundamental investigations in this work, the first implementation of electrically driven quantum dot single-photon sources into quantum key distribution experiments was carried out. Utilizing the investigated quantum dot micropillar cavities, two free space experiments were performed with different transmission distances. In both cases a BB84-protocoll was emulated by modulating the single-photons with a fixed pattern of four different polarization settings. The first experiment, performed on a lab-scale in Würzburg, is based on a 40 cm quantum channel and worked at a clock rate of 183 MHz. Sifted-key rates of up to 35.4 kbit/s with a quantum bit error ratio (QBER) of 3.8 % were achieved. Single-photon emission within the quantum channel was proven unambiguously […]. The second quantum key distribution experiment was realized over a distance of 500 m in downtown Munich, connecting two buildings of the Ludwig-Maximilians-Universität via telescopes on the rooftops. […] Using this system at a clock rate of 125 MHz, a maximum sifted-key rate of 11.6 kbit/s at a QBER of 6.2 % was achieved in the single-photon regime. This first implementation of an electrically-driven non-classical light source in quantum key distribution experiments can be considered as a major step toward the realization of efficient and practical quantum communication systems.