Deterministic quantum-dot microlenses as efficient quantum-light sources

Quantenbits, häufig auch als Qubits bezeichnet, bilden die Grundlage der Quanteninformatik. In der Regel können diese durch jedes beliebige quantenmechanische Zweiniveausystem repräsentiert werden. Protokolle zur sicheren Datenübertagung mittels Verfahren der Quantenschlüsselverteilung beruhen jedoch auf sogenannten flying qubits - den Photonen. In den letzten Jahren haben sich Halbleiterquantenpunkte als nahezu ideale Quantenemitter etabliert. Desweiteren ermöglicht es die moderne Halbleiternanotechnologie inzwischen, einzelne Quantenpunkte gezielt in photonische Bauteile zu integrieren und damit die Implementierung von skalierbaren Technologien. In der vorliegenden Arbeit werden die quantenoptischen Eigenschaften von Quantenpunktmikrolinsen untersucht. Quantenpunkte, welche mittels in-situ Kathodolumineszenzlithographie deterministisch in monolithische Mikrolinsen integriert werden, erlauben in Kombination mit einem Bragg-Spiegel auf der Substratseite eine wesentliche Erhöhung der Photonen-Auskoppeleffizienz aus dem Halbleitermaterial. Es zeigt sich, dass die Quantenpunktmikrolinse, unabhängig von der Anregungsleistung, einzelne ununterscheidbare Photonen mit g(2)(0) ≤ 1% und einem Photonenwellenpaketüberlapp von V = (80±7)% emittiert. Desweiteren wird die Quanteninterferenz der Photonen dazu genutzt, um die Zeitskalen der zur Dephasierung des Quantenpunktsystems beitragenden Prozesse zu ermitteln. Im Anschluss demonstriert ein Zweiphotoneninterferenzexperiment die Ununterscheidbarkeit der Photonen aus räumlich getrennten Quantenpunktmikrolinsen. Dieses Experiment gilt hinsichtlich der Verschränkungsverteilung als ein wichtiger Grundstein des Quantenrepeaters. Neben der Quantenpunktmikrolinse als Einzelphotonenemitter wird des Weiteren ein neuartiges Konzept zur Zwillingsphotonenemission anhand einer energetisch entarteten Biexziton-Exziton-Kaskade vorgestellt und mit einer Quantenpunktmikrolinse umgesetzt. Zum Abschluss wird der Zustand des dunklen Exzitons mittels Korrelationsfunktionen untersucht und dessen Potential als langlebiges, festkörperbasiertes Qubit aufgezeigt. Die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente zeigen, dass Quantenpunktmikrolinsen als nicht-klassische Quantenenemitter in skalierbaren und komplexen Quanteninformationsprotokollen eine entscheidende Rolle spielen können.Quantum bits, also known as qubits, provide the basis of quantum information science and can in general be realized by any quantum mechanical two level system. However, quantum communication relies on the transfer of information between distant sites and therefore on flying qubits. Photons are promising candidates, enabling long distance quantum communication. In recent years it turned out, that semiconductor quantum dots are close-to-ideal sources of non-classical light. Furthermore, advanced semiconductor technology allows for the deterministic integration of single quantum dots into photonic devices within on-chip implementations. In that context the work at hand presents quantum-optical studies on deterministic quantum dot microlenses. Here, single pre-selected quantum dots are precisely integrated within monolithic microlenses using in-situ cathodoluminescence lithography. In combination with a backside Bragg reflector, the microlens approch enhances the photon-extraction efficiency from the semiconductor material. As a unique feature, both single-photon purity and photon-indistinguishability show excitation power independent values of g(2)(0) = 1% and V = (80 ± 7) %. Quantum interference of photons is used to determine the timescale of pure dephasing related to charge noise in the quantum dot’s vicinity. These studies are complemented by two-photon interference experiments with photons from remote microlenses, which build the basis for entanglement distribution in quantum-repeater networks. Beyond these experiments in the single-photon regime, a novel concept for the generation of photon twins is proposed and experimentally demonstrated. Finally, the dark exciton state is studied via polarization-resolved photon cross-correlation measurements. In this context the dark exciton can act as a stationary qubit enabling the storage of information as an important resource for photon cluster generation. In summary the experiments show, that quantum dot microlenses are promising candidates for non-classical quantum-light sources in scalable and complex quantum-computation schemes