Semiconductor quantum-dot–cavity systems as sources of highly nonclassical states of light

Titelangaben

Cosacchi, Michael:
Semiconductor quantum-dot–cavity systems as sources of highly nonclassical states of light.
Bayreuth , 2022
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

At the turning point from the digital to the quantum era, research on technologically viable quantum systems is active as never before. Many innovative ideas in all areas of quantum sciences and technologies, ranging from quantum metrology, quantum communication and quantum cryptography to quantum computation, are based on the exchange of information between different systems. As photons, being the quanta of light, travel at the highest possible speed, using them is an attractive pathway to encode information. Semiconductor systems are particularly interesting candidates for sources of such quanta of light, since they are expected to be directly integrable into existing semiconductor technologies. This cumulative thesis theoretically explores the suitability of self-assembled semiconductor quantum dots (QDs) in microcavities as sources of nonclassical photonic states and thus contributes to this fast-growing research area. In contrast to atomic devices, a QD is embedded in a solid-state bulk material and is therefore prone to its temperature-dependent vibrations called phonons once they are quantized. Even at cryogenic temperatures of a few kelvin, at which QDs are commonly operated, the phonon influence is known to have a profound impact on the QD state dynamics. Understanding the effect of this environment of longitudinal acoustic phonons on the joint QD electronic and cavity photonic dynamics is a prerequisite for harnessing these systems to generate specific photon states on demand. To this end, a numerically exact path-integral formalism is employed that does not rely on any further approximations, once the model is stated. Thus, all system--environment correlations are fully accounted for, thereby clearly going beyond a Born--Markov treatment of the phonon environment. This thesis is organized following the increasing complexity of exemplary photonic states as measured by the contributing photon number. Starting out with single photons, a phonon enhancement of their quality is reported and a protocol to store single photons in a QD--cavity system is proposed. Entanglement, being one of the most notorious consequences of quantum theory, is investigated in terms of polarization-entangled photon pairs. The generation of different types of Bell-state entanglement is discussed and a protocol to switch between them in a time-dependent manner is suggested. The analysis of the preparation of higher-order Fock states and $N$-photon bundles in QD--cavity systems showcases the different impact phonons might have on a protocol's success. The influence of phonons on the shape-changing of photon number distributions due to varying excitation conditions of the QD is discussed. The investigation is closed by a proposal to generate Schrödinger-cat states in QD--cavity systems. These studies are framed by two methodological considerations. While the analysis of the accuracy of the quantum regression theorem applied to photonic figures of merit in QD--cavity systems provides a groundwork, the discussion of a new numerically exact method to simulate arbitrary open quantum systems gives an outlook for future studies.

Abstract in weiterer Sprache

Am Wendepunkt zwischen dem digitalen und dem Quantenzeitalter ist die Forschung an technologisch praktikablen Quantensystemen so aktiv wie niemals zuvor. Da Photonen die Quanten des Lichts sind und sich mit dessen Geschwindigkeit fortbewegen, ist deren Gebrauch zur Informationskodierung ein attraktiver Weg, um innovative Ideen in allen Bereichen der Quantenwissenschaften und -technologien zu realisieren: von der Quantenmetrologie über die Quantenkommunikation und -kryptographie bis hin zum Quantencomputing. Halbleitersysteme sind besonders interessante Kandidaten als Quellen solcher Quantenzustände des Lichts, da sie voraussichtlich direkt in existierende Halbleitertechnologien integrierbar sind. Diese kumulative Dissertation untersucht theoretisch die Eignung von selbstorganisierten Halbleiterquantenpunkten (im folgenden QP genannt) in Mikroresonatoren als Quellen nicht-klassischer Photonzustände und trägt so zu diesem schnell wachsenden Forschungsfeld bei. Im Gegensatz zu Geräten, die auf atomaren Systemen beruhen, ist ein QP in ein Festkörpermaterial eingebettet und daher den temperaturabhängigen Schwingungen ausgesetzt, die nach ihrer Quantisierung Phononen genannt werden. Selbst bei kryogenen Temperaturen von wenigen Kelvin, bei denen ein QP üblicherweise verwendet wird, haben die Phononen bekannterweise einen großen Einfluss auf die Dynamik der QP-Zustände. Letztere interagieren wiederum mit den Resonatorphotonen. Das Verständnis des Einflusses einer Umgebung longitudinal akustischer Phononen auf diese gemeinsame Dynamik ist eine Voraussetzung zur Nutzbarmachung solcher Systeme zur Erzeugung von bestimmten Photonzuständen auf Abruf. Zu diesem Zweck wird ein numerisch exakter Pfadintegralformalismus verwendet, der sich auf keine weiteren Näherungen stützt, sobald das Modell formuliert ist. Alle Korrelationen zwischen dem System und der Umgebung werden also vollständig berücksichtigt, so dass diese Theoriestufe klar über eine Behandlung der Phononumgebung im Rahmen einer Born-Markov-Näherung hinausgeht. Die vorliegende Dissertation ist anhand der wachsenden Komplexität beispielhafter Photonzustände aufgebaut, die durch die beitragende Photonzahl gemessen wird. Beginnend mit einzelnen Photonen wird eine Erhöhung deren Qualität durch Phononen vorhergesagt und ein Protokoll zur Speicherung von einzelnen Photonen in QP-Resonator-Systemen vorgeschlagen. Verschränkung als eine der bekanntesten Folgen der Quantentheorie wird anhand polarisationsverschränkter Photonpaare eruiert. Die Erzeugung von verschiedenen Typen einer Bell-Zustandsverschränkung wird diskutiert und ein Protokoll zum zeitabhängigen Schalten zwischen ihnen vorgeschlagen. Die Analyse der Gewinnung von Fockzuständen höherer Ordnung und $N$-Photon-Bündeln in QP-Resonator-Systemen unterstreicht den unterschiedlichen Einfluss, den Phononen auf den Erfolg eines Protokolls haben können. Ein veränderlicher Phononeinfluss auf formverändernde Photonzahlverteilungen, abhängig von den Anregungsbedingungen des QPs, wird diskutiert und die Untersuchung durch den Vorschlag eines Protokolls zur Erzeugung von Schrödinger-Katzen-Zuständen in QP-Resonator-Systemen abgeschlossen. Zwei methodische Überlegungen rahmen diese Studien ein: Während die Analyse der Genauigkeit des Quantenregressionstheorems, angewandt auf photonische Kennzahlen in QP-Resonator-Systemen, eine Grundlage dieser Arbeit bildet, gibt die Diskussion einer neuen, numerisch exakten Methode zur Simulation von beliebigen offenen Quantensystemen einen Ausblick auf künftige Untersuchungen.