DE102013012682A1

DE102013012682A1 - Method for the preparation of a population inversion in a quantum system by means of multi-pulse excitation

Info

Publication number: DE102013012682A1
Application number: DE102013012682.7A
Authority: DE
Inventors: Artur Zrenner; Jens Förstner; Dirk Mantei
Original assignee: Universitaet Paderborn
Current assignee: Universitaet Paderborn
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: DE102013012682B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Präparation einer Besetzungsinversion in einem Quantensystem (Q) mittels Mehrpulsanregung, wobei ein Quantensystem (Q) umfassend wenigstens einen Quantenpunkt mit zwei orthogonalen Zuständen (/X>, /Y>), insbesondere die mit zueinander orthogonalen Polarisationen (P1, P2) optisch anregbar sind, mit einem ersten Laserpuls (L1) beleuchtet wird, welcher zur resonanten Anregung des ersten (/Y>) der zwei Zustände (/X>, /Y>) eingestellt wird und zeitlich nachfolgend mit einem zweiten Laserpuls (L2) beleuchtet wird, der zur resonanten Anregung des zweiten (/X>) der zwei Zustände (/X>, /Y>) eingestellt wird.The invention relates to a method for the preparation of a population inversion in a quantum system (Q) by means of multi-pulse excitation, wherein a quantum system (Q) comprising at least one quantum dot with two orthogonal states (/ X>, / Y>), in particular those with mutually orthogonal polarizations (P1 , P2) are illuminated with a first laser pulse (L1), which is set for resonant excitation of the first (/ Y>) of the two states (/ X>, / Y>) and subsequently with a second laser pulse ( L2) set for resonant excitation of the second (/ X>) of the two states (/ X>, / Y>).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Präparation einer Besetzungsinversion in einem Quantensystem mittels Mehrpulsanregung. Solche Verfahren sind im Stand der Technik bekannt und beruhen darauf, nacheinander mehrere Laserpulse auf ein Quantensystem zu richten, welches einen elektronischen Übergang zwischen zwei Zuständen aufweist, der mittels der Laserpulse anregbar ist. Demnach ist jeder Laserpuls hinsichtlich seiner Wellenlänge und Bandbreite so eingerichtet, dass aus einem Ausgangszustand, z. B. dem Grundzustand des Quantensystems heraus ein höherer Zustand angeregt wird, also der Ausgangszustand entvölkert wird.The invention relates to a method for the preparation of a population inversion in a quantum system by means of multi-pulse excitation. Such methods are known in the art and rely on successively directing a plurality of laser pulses onto a quantum system having an electronic transition between two states excitable by means of the laser pulses. Accordingly, each laser pulse in terms of its wavelength and bandwidth is set so that from an initial state, for. B. the ground state of the quantum system out a higher state is excited, so the initial state is depopulated.

Bislang erfolgt dabei die Anregung mit mehreren Laserpulsen derselben linearen Polarisation, die bzgl. des betrachteten Überganges gewählt ist. Dabei ist es bekannt, dass bestimmte Übergänge polarisationsselektiv sind.So far, the excitation is carried out with several laser pulses of the same linear polarization, which is selected with respect to the considered transition. It is known that certain transitions are polarization-selective.

Weiterhin ist es in Fachkreisen aus dem sogenannten „Flächen-Theorem” bekannt, dass eine maximale Besetzungsinversion erreicht wird, wenn sich die Pulsflächen der einzelnen Laserpulse zu θ = Pi addieren. Von einer Pulsfläche wird gesprochen, da der Winkel θ in bekannter Weise definiert als ein zeitliches Integral des elektrischen Feldes jedes Laserpulses multipliziert mit einer Konstanten. Dieser Winkel, der Werte zwischen Null und 2Pi annehmen kann, beschreibt anschaulich die Winkeländerung desjenigen Vektors, der auf der Blochkugel den Zustand des Quantensystems symbolisiert. Der Wert Pi beschreibt demnach eine maximal mögliche Inversion, wenn die Anregung aus dem Grundzustand erfolgt.Furthermore, it is known in the art from the so-called "area theorem" that a maximum population inversion is achieved when the pulse areas of the individual laser pulses add to θ = Pi. A pulse area is referred to as the angle θ defined in a known manner as a time integral of the electric field of each laser pulse multiplied by a constant. This angle, which can assume values between zero and 2Pi, vividly describes the angle change of the vector that symbolizes the state of the quantum system on the Bloch sphere. The value Pi thus describes a maximum possible inversion when the excitation is from the ground state.

Die Addition der Pulsflächen setzt voraus, dass die Phasen der Laserpulse so gewählt werden, dass eine konstruktive Interferenz erzielt wird. Bei mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Laserpulsen, die mit derselben Polarisation und jeweils identischer Pulsfläche ein Quantensystem beleuchten, ergibt sich dann als Problem, dass die Inversion der sogenannten Rabi-Oszillation unterliegt, die Inversion also zeitlich periodisch auf- und abgebaut wird.The addition of the pulse areas requires that the phases of the laser pulses are chosen so that a constructive interference is achieved. In the case of several laser pulses which follow one another in time and illuminate a quantum system with the same polarization and identical pulse area, the problem then arises that the inversion is subject to the so-called Rabi oscillation, ie the inversion is periodically built up and reduced in time.

Hieraus resultiert, dass die einzelnen Pulse, welche ein Quantensystem beleuchten sowohl hinsichtlich der Phase als auch hinsichtlich der jeweiligen Pulsfläche sehr genau eingestellt werden müssen, um jeweils nach einer ganzen Anzahl von Pulsen Summenwerte der Pulsflächen zu erzielen, die sehr genau den Wert Pi erreichen, da nur dann eine maximale Inversion des Quantensystems erreicht wird.The result of this is that the individual pulses which illuminate a quantum system must be set very precisely both with regard to the phase and with respect to the respective pulse area in order, after a whole number of pulses, to achieve summation values of the pulse areas which very precisely reach the value Pi. since only then a maximum inversion of the quantum system is achieved.

Besonders problematisch ist es in der Praxis, dass sowohl die Phase als auch die Pulsfläche der Laserpulse nur mit aufwändigen Maßnahmen genau kontrolliert werden kann und dass schon kleine Abweichungen bei der relativen Phase zwischen den Pulsen und der Werte der Pulsfläche eines einzelnen Pulses für die erzielte Inversion sehr schnell aus dem maximalen Wert herausführen.It is particularly problematic in practice that both the phase and the pulse area of the laser pulses can be precisely controlled only with complex measures and that even small deviations in the relative phase between the pulses and the values of the pulse area of a single pulse for the achieved inversion very quickly lead out of the maximum value.

Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereit zu stellen, das bzgl. der Präparation eines Inversionszustandes eines Quantensystem deutlich unempfindlicher ist hinsichtlich der Einstellung von relativer Phasenlage und der Pulsfläche der einzelnen Pulse als das bisherige Verfahren. Es soll so erzielt werden, dass eine Inversion des verwendeten Quantensystems mit einer höheren Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht werden kann.It is therefore an object of the invention to provide a method which is significantly less sensitive with regard to the preparation of an inversion state of a quantum system with regard to the adjustment of the relative phase position and the pulse area of the individual pulses than the previous method. It should be achieved so that an inversion of the quantum system used can be achieved with a higher reliability and reproducibility.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Quantensystem umfassend wenigstens einen Quantenpunkt mit zwei orthogonalen Zuständen, insbesondere die mit zueinander orthogonalen elektrischen Feldern optisch anregbar sind, mit einem ersten Laserpuls beleuchtet wird, welcher zur resonanten Anregung des ersten der zwei Zustände eingestellt wird (insbesondere hinsichtlich elektrischer Feldrichtung und Wellenlänge) und zeitlich nachfolgend mit einem zweiten Laserpuls beleuchtet wird, der zur resonanten Anregung des zweiten der zwei Zustände eingestellt wird (insbesondere hinsichtlich elektrischer Feldrichtung und Wellenlänge).According to the invention, this object is achieved in that a quantum system comprising at least one quantum dot with two orthogonal states, in particular those with mutually orthogonal electric fields are optically excited, is illuminated with a first laser pulse, which is set for resonant excitation of the first of the two states (in particular in terms of electric field direction and wavelength) and subsequently illuminated with a second laser pulse which is set for the resonant excitation of the second of the two states (in particular with respect to the electric field direction and wavelength).

Wesentlicher Kerngedanke der Erfindung ist es dabei zur Erzielung einer Inversion in einem Quantensystem nicht nur einen Übergang zwischen zwei Zuständen zu betrachten, sondern ein Quantensystem einzusetzen, das zwei anregbare orthogonale Zustände aufweist.An essential core idea of the invention is, in order to achieve an inversion in a quantum system, not only to consider a transition between two states, but to use a quantum system which has two excitable orthogonal states.

Solche Zustände werden als orthogonal bezeichnet, wenn jeder der Zustände nur durch eine bestimmte Richtung des elektrischen Feldes von z. B. Laserlicht anregbar ist und diese Richtungen senkrecht zueinander orientiert sind.Such states are referred to as orthogonal, if each of the states is limited only by a particular direction of the electric field of e.g. B. laser light can be excited and these directions are oriented perpendicular to each other.

Eine solche Situation kann z. B. erzielt werden in Quantenpunkten, die eine räumliche Anisotropie, z. B. elliptische Anisotropie aufweisen. Beispielsweise kann hierfür ein Quantenpunkt in ein Kristallgitter eines Wirtskristalles eingebunden werden.Such a situation can z. B. can be achieved in quantum dots that a spatial anisotropy, z. B. elliptical anisotropy. For example, for this purpose, a quantum dot can be incorporated into a crystal lattice of a host crystal.

Orthogonale Zustände können somit z. B. durch feinstrukturaufgespaltene Zustände gegeben sein, insbesondere solche, die bereits ohne äußeres elektrisches oder magnetisches Feld vorliegen, also unter Vernachlässigung von Stark- und Zeeman-Effekt.Orthogonal states can thus z. B. be given by feinstrukturaufgespaltene states, especially those that already exist without external electrical or magnetic field, that is, neglecting Stark and Zeeman effect.

Hier kann es bevorzugt vorgesehen sein, solche Quantensysteme, insbesondere wenigstens einen Quantenpunkt einzusetzen, bei denen/dem die Richtungen des elektrischen Feldes, in denen eine Anregung der beiden Zustände erzielt werden kann, beide in einer der Kristallebenen des Wirtskristalles liegen.Here it may be preferred to provide such quantum systems, in particular at least employ a quantum dot where the directions of the electric field in which excitation of the two states can be achieved are both in one of the crystal planes of the host crystal.

In einer ersten erfindungsgemäßen Anwendung kann somit das Verfahren eingesetzt werden, um eine Inversion durch Erzeugung eines Superpositionszustandes von zwei orthogonalen Zuständen zu erzielen. Dies hat den Vorteil, dass die Photonen der beteiligten Laserpulse, die jeweils einen der beiden Zustände anregen können, nicht miteinander interferieren können, somit also die Entvölkerung des unteren beteiligten Zustandes, insbesondere des Grundzustandes nicht phasensensitiv ist.Thus, in a first application of the invention, the method can be used to achieve inversion by generating a superposition state of two orthogonal states. This has the advantage that the photons of the laser pulses involved, each of which can excite one of the two states, can not interfere with each other, thus thus the depopulation of the lower state involved, in particular the ground state is not phase sensitive.

Desweiteren zeigt sich hier, dass eine durch einen ersten Laserpuls erzeugte Teilinversion (Inversion kleiner EINS) durch Anregung eines der Zustände durch einen unmittelbar nachfolgenden Laserpuls, der nur den zweiten Zustand anregen kann, nicht abgebaut, sondern nur weiter aufgebaut werden kann, dadurch, dass der Grundzustand weiter, nämlich in Richtung des zweiten Zustandes entvölkert wird.Furthermore, it shows here that a partial inversion generated by a first laser pulse (inversion of small ONE) by excitation of one of the states by an immediately following laser pulse, which can only excite the second state, not degraded, but can only be further built, characterized in that the ground state continues, namely depopulated in the direction of the second state.

Dadurch wird neben der eingangs genannten Phasenunempfindlichkeit auch erreicht, dass die Erzeugung einer Inversion weniger empfindlich ist bzgl. Imperfektionen bei der Einstellung der Pulsfläche der Laserpulse.As a result, in addition to the phase insensitivity mentioned above, it is also achieved that the generation of an inversion is less sensitive with respect to imperfections in the setting of the pulse area of the laser pulses.

Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens kann es dabei vorsehen, dass beide Laserpulse durch Strahlteilung aus demselben ursprünglichen Laserpuls gebildet werden und dieselben spektralen Eigenschaften, insbesondere auch gleiche Pulsfläche aufweisen.A preferred embodiment of the method can provide that both laser pulses are formed by beam splitting from the same original laser pulse and have the same spectral properties, in particular the same pulse area.

Z. B. kann hierfür ein Mach-Zehnder-Interferometeraufbau genutzt werden mit der Möglichkeit die Polarisation beider so erzeugter Pulse individuell einzustellen.For example, a Mach-Zehnder interferometer structure can be used for this purpose, with the possibility of individually setting the polarization of the pulses thus generated.

Die spektralen Eigenschaften sind dabei bevorzugt so gewählt, dass jeder der beiden Zustände innerhalb der Wellenlängenbandbreite der Laserpulse angeregt werden kann, bevorzugt aber auch nur diese beiden Zustände angeregt werden können und keine evtl. weiteren im Quantensystem vorhandenen Zustände.The spectral properties are preferably chosen such that each of the two states can be excited within the wavelength bandwidth of the laser pulses, but preferably only these two states can be excited and no further possible states present in the quantum system.

Dennoch ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, beiden Pulse unabhängig voneinander zu erzeugen und hinsichtlich Wellenlänge, Bandbreite, Polarisation und Pulsfläche einzustellen.Nevertheless, within the scope of the invention it is also possible to generate both pulses independently of one another and to set them with regard to wavelength, bandwidth, polarization and pulse area.

Unabhängig von der Art der Erzeugung der einzelnen der beiden am Verfahren beteiligten Pulse kann es hier bevorzugt vorgesehen sein, dass jeder der beiden Laserpulse auf eine Pulsfläche θ, insbesondere auf jeweils die gleiche Pulsfläche von 0.5Pi <= θ <= Pi, bevorzugt 0.8Pi <= θ <= Pi eingestellt wird. Die Einstellung der Pulsfläche kann durch Einstellung der Amplitude des elektrischen Feldes bzw. praktisch durch Einstellung der Intensität der Laserpulse erfolgen.Regardless of the type of generation of the individual of the two pulses involved in the method, it may be preferred here for each of the two laser pulses to have a pulse area θ, in particular for the same pulse area of 0.5Pi <= θ <= Pi, preferably 0.8Pi <= θ <= Pi is set. The adjustment of the pulse area can be done by adjusting the amplitude of the electric field or practically by adjusting the intensity of the laser pulses.

So wird sichergestellt, dass in jedem Fall eine Inversion größer als I = 0,75 erzielt wird, da so immer mit dem ersten Puls eine Inversion von mindestens I = 0,5 aufgebaut wird, die durch den zweiten Puls durch Restentvölkerung des Grundzustandes in Richtung des zweiten Zustandes erhöht wird.This ensures that in each case an inversion greater than I = 0.75 is achieved, since thus always with the first pulse an inversion of at least I = 0.5 is built up, by the second pulse by residual population of the ground state in the direction of the second state is increased.

Durch eine Pulsfläche von θ = 0,5Pi bei beiden Pulsen wird somit eine Inversion von 0,75 erzielt, bei θ = 0.8Pi bereits eine Inversion von 0,99. Dadurch ist es ersichtlich, dass eine Präparation der Laserpulse selbst bei einer signifikanten Abweichung von 20% von der idealen Pulsfläche θ = Pi eine im Wesentlichen vollständige Inversion erzeugt.An inversion of 0.75 is achieved by a pulse area of θ = 0.5Pi for both pulses, and an inversion of 0.99 is already achieved for θ = 0.8Pi. As a result, it can be seen that a preparation of the laser pulses produces a substantially complete inversion even with a significant deviation of 20% from the ideal pulse area θ = Pi.

Damit ist erreicht, dass das Erzeugen einer Inversion deutlich unempfindlicher ist bzgl. der Einstellung der Pulsfläche bei den einzelnen Laserpulsen, als dies im Stand der Technik der Fall ist.This ensures that the generation of an inversion is significantly less sensitive with respect to the adjustment of the pulse area in the individual laser pulses than is the case in the prior art.

Betrachtet man den Grad der erzeugten Inversion in Abhängigkeit der Gesamtpulsfläche der beteiligten Laserpulse, so zeigt sich um den Idealwert von θ = Pi bei einem Einzelpuls bzw. θ = 2Pi bei der Summe der Pulsflächen beider Pulse ein großes Plateau im Vergleich zu den starken Rabi-Oszillationen des Standes der Technik.Considering the degree of inversion generated as a function of the total pulse area of the involved laser pulses, the ideal value of θ = Pi for a single pulse or θ = 2Pi for the sum of the pulse areas of both pulses shows a large plateau compared to the strong negative values. Oscillations of the prior art.

Um die Anregung der beiden orthogonalen Zustände mit zwei aufeinander folgenden Laserpulsen zu erzielen kann es eine Ausführung vorsehen, dass beide Laserpulse in der derselben Ausbreitungsrichtung auf das Quantensystem eingestrahlt werden und in dieser Ausbreitungsrichtung zueinander senkrechte Polarisation aufweisen, insbesondere zueinander senkrechte lineare Polarisationen.In order to achieve the excitation of the two orthogonal states with two successive laser pulses, it may be provided that both laser pulses are irradiated onto the quantum system in the same propagation direction and have polarization perpendicular to one another in this propagation direction, in particular mutually perpendicular linear polarizations.

So wirkt der eine Laserpuls mit der ersten (linearen) Polarisation nur auf den einen der beiden Zustände und der andere mit dazu senkrechter (linearen) Polarisation nur auf den anderen Zustand. Bevorzugt ist die Ausbreitungsrichtung beider Laserstrahlen exakt senkrecht gewählt zu derjenigen Ebene die aufgespannt ist durch die Richtungen der elektrischen Felder mit denen die beiden orthogonalen Zustande angeregt werden können.Thus, the one laser pulse with the first (linear) polarization acts only on one of the two states and the other with perpendicular (linear) polarization only on the other state. Preferably, the propagation direction of both laser beams is chosen to be exactly perpendicular to that plane which is spanned by the directions of the electric fields with which the two orthogonal states can be excited.

Dann kann bei linearer Polarisation beider Laserpulse die jeweilige lineare Polarisation jeder der beiden Pulse auf genau eine Anregungsrichtung eines der orthogonalen Zustande eingestellt werden. Diese Anordnung kann bevorzugt gewählt werden, bei freier Propagation der Laserpulse in Luft oder Vakuum.Then, with linear polarization of both laser pulses, the respective linear polarization of each of the two pulses can be adjusted to exactly one excitation direction of one of the orthogonal states. This arrangement can preferably be chosen with free propagation of the laser pulses in air or vacuum.

Eine Alternative kann es hier vorsehen, dass beide Laserpulse in zueinander senkrechten Ausbreitungsrichtungen innerhalb derselben Ebene auf das Quantensystem eingestrahlt werden und in jeweiliger Ausbreitungsrichtung die gleiche Polarisation aufweisen, insbesondere eine lineare Polarisation innerhalb der genannten Ebene, insbesondere auch senkrecht zur jeweiligen Ausbreitungsrichtung.An alternative may be to provide that both laser pulses are irradiated in mutually perpendicular directions of propagation within the same plane to the quantum system and in the respective propagation direction have the same polarization, in particular a linear polarization within said plane, in particular also perpendicular to the respective propagation direction.

In Ausbreitungsrichtung betrachtet haben dann zwar beide Laserpulse gleiche Polarisation, regen aber aufgrund der verschiedenen Ausbreitungsrichtungen (senkrecht zueinander) aufgrund der dadurch erzeugten unterschiedlichen Schwingungsrichtungen der elektrischen Felder nur jeweils einen der beiden orthogonalen Zustände an.Although viewed in the direction of propagation both laser pulses have the same polarization, but due to the different propagation directions (perpendicular to each other) due to the different directions of vibration of the electric fields generated thereby only one of the two orthogonal states.

Hier liegen bevorzugt beide Ausbreitungsrichtungen in derjenigen Ebene, die wiederum durch die orthogonalen elektrischen Feldrichtungen definiert ist, mit welchen die beiden Zustände anregbar sind.Here, both directions of propagation preferably lie in that plane, which in turn is defined by the orthogonal electric field directions with which the two states can be excited.

Eine solche Konfiguration kann z. B. gewählt werden, wenn die Laserpulse über Lichtwellenleiter auf das Quantensystem gerichtet werden, insbesondere wobei in einem Kreuzungspunkt der Lichtwellenleiter das Quantensystem angeordnet ist.Such a configuration may, for. Example, be selected when the laser pulses are directed to the quantum system via optical fibers, in particular wherein the quantum system is arranged in a crossing point of the optical waveguide.

In Verbindung mit sämtlichen einzelnen zuvor beschriebenen Weiterbildungen kann es vorgesehen sein, dass Verfahren auch zu verwenden, um einen optischen Schalter auszubilden, bei dem mittels eines ersten Laserpulses mit einer Pulsfläche von 0.5Pi <= θ <= Pi, bevorzugt 0.8Pi <= θ <= Pi, besonders bevorzugt von θ = Pi ein Inversionszustand in nur einem der zwei Zustände des Quantensystems erzeugt wird und ein auf den zweiten Zustand abgestimmter Laserpuls, insbesondere mit derselben Pulsfläche das Quantensystem ohne oder zumindest ohne wesentliche Absorption durchläuft.In conjunction with all the individual developments described above, it may be provided to use the method also to form an optical switch, in which by means of a first laser pulse having a pulse area of 0.5Pi <= θ <= Pi, preferably 0.8Pi <= θ <= Pi, particularly preferably of θ = Pi, an inversion state is generated in only one of the two states of the quantum system and a laser pulse tuned to the second state, in particular with the same pulse surface, passes through the quantum system without or at least without substantial absorption.

Besonders für den Idealzustand von θ = Pi beim ersten Laserpuls wird deutlich, dass bereits durch diesen ersten Laserpuls eine maximale Inversion erzeugt wird, nämlich durch vollständige Anregung des einen der beiden Zustände. Da der Grundzustand hiernach vollständig unbesetzt ist kann somit der zweite Puls, der nur in Richtung des zweiten Zustandes wirkt keine weitere Besetzungsumverteilung vornehmen und beleibt (bei Idealbedingungen) völlig absorptionsfrei. Er passiert somit das Quantensystem unbeeinflusst.Especially for the ideal state of θ = Pi at the first laser pulse it becomes clear that a maximum inversion is already generated by this first laser pulse, namely by complete excitation of one of the two states. Since the ground state is thereafter completely unoccupied, the second pulse, which acts only in the direction of the second state, can thus make no further occupancy redistribution and is completely free of absorption (under ideal conditions). It thus passes the quantum system unaffected.

Durch Vorschalten des ersten Pi-Pulses kann somit das Quantensystem für den zeitlich nachfolgenden Laserpuls, insbesondere auch ein Pi-Puls, transparent geschaltet werden.By pre-switching of the first Pi pulse thus the quantum system for the temporally subsequent laser pulse, in particular a Pi-pulse, can be switched transparent.

Fehlt hingegen der die Inversion im ersten Zustand vorbereitende Puls, so wird die Inversion durch Anregung des zweiten Zustandes erzeugt und dieser Laserpuls absorbiert.On the other hand, if the pulse preparing the inversion in the first state is missing, the inversion is generated by excitation of the second state and this laser pulse is absorbed.

In Abhängigkeit der vorliegenden oder nicht-vorliegenden Besetzung in einem der beiden Zustände, kann demnach das Quantensystem für einen auf den jeweils anderen Zustand wirkenden Laserpuls durchlässig oder blockierend geschaltet werden.Depending on the presence or absence of occupation in one of the two states, the quantum system can accordingly be switched to be permeable or blocking for a laser pulse acting on the other state.

Die Erfindung kann in praktischer Anwendung auch vorsehen als Quantensystem ein Ensemble von einer Vielzahl von Quantenpunkten zu verwenden.The invention may also provide, in practical application, as a quantum system to use an ensemble of a plurality of quantum dots.

Auch kann es vorgesehen sein, das Quantensystem einem externen elektrischen und/oder magnetischen Feld auszusetzen und durch Stark- und/oder Zeeman-Effekt eine Feinstrukturaufspaltung von Zuständen zu erzeugen oder zu vergrößern. Insbesondere kann in diesen Fällen auch mit zueinander orthogonalen zirkularen Polarisationen von Laserpulsen statt mi linearen Polarisationen gearbeitet werden.It can also be provided to expose the quantum system to an external electric and / or magnetic field and to generate or enlarge a fine structure splitting of states by means of Stark and / or Zeeman effect. In particular, in these cases it is also possible to work with mutually orthogonal circular polarizations of laser pulses instead of mi linear polarizations.

Den Stand der Technik und Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen die Figuren.The prior art and embodiments of the invention, the figures show.

1 zeigt den bisherigen Stand der Technik gemäß dem einzelne Laserpulse L derselben linearen Polarisation P auf ein Quantensystem Q gerichtet werden. Dieses Quantensystem ist hier zwar mit zwei anregbaren Zuständen /x> und /y> symbolisiert, es wird jedoch durch die Wahl der Polarisation P nur der Zustand /x> angeregt. Insofern ist die evtl. Existenz des zweiten Zustandes irrelevant. 1 shows the prior art according to the individual laser pulses L of the same linear polarization P are directed to a quantum system Q. Although this quantum system is symbolized here with two excitable states / x> and / y>, only the state / x> is excited by the choice of the polarization P. In this respect, the possible existence of the second state is irrelevant.

Durch Variation der Amplitude A jedes der Pulse wird deren Pulsfläche eingestellt, wobei 3 in der gestrichelten Linie die Abhängigkeit der erzielten Inversion von der Gesamtpulsfläche, also der Summe der Pulsflächen der eingestrahlten Laserpulse visualisiert.By varying the amplitude A of each of the pulses whose pulse area is set, 3 the dependence of the achieved inversion on the total pulse area, ie the sum of the pulse areas of the irradiated laser pulses, is visualized in the dashed line.

Es zeigen sich hier die sogenannten Rabi-Oszillationen, die verdeutlichen, dass die Pulsfläche der einzelnen Pulse sehr genau eingestellt werden muss, um maximale Inversion für die Summe von Pi oder ungeraden Vielfachen hiervon zu erhalten.It shows here the so-called Rabi oscillations, which make it clear that the pulse area of the individual pulses must be set very precisely in order to obtain maximum inversion for the sum of Pi or odd multiples thereof.

Demgegenüber zeigt die 2 das Prinzip der Erfindung, bei dem zwei Laserpulse L1 und L2 mit zueinander senkrechter Polarisation P1 und P2 das Quantensystem Q beleuchten. Nun können prinzipiell aufgrund der beiden senkrechten Polarisationen sowohl der Zustand /x> als auch der Zustand /y> bzw. Überlagerungen beider Zustände erzeugt werden, da beide Zustände polarisationsselektiv anregbar sind.In contrast, the shows 2 the principle of the invention, in which two laser pulses L1 and L2 with mutually perpendicular polarization P1 and P2 illuminate the quantum system Q. In principle, both the state / x> and the state / y> or superpositions of both states can be generated on the basis of the two perpendicular polarizations, since both states can be excited polarization-selectively.

Die Abhängigkeit der Inversion zeigt wiederum 3, nun in der durchgezogenen Linie, welche verdeutlich, dass eine deutlich geringere Empfindlichkeit der Besetzung bzw. der Inversion gegenüber der Pulsfläche vorliegt. Eine Phasenempfindlichkeit ist völlig unterbunden.The dependence of inversion shows again 3 , now in the solid line, which illustrates that there is a significantly lower sensitivity of the occupation or inversion to the pulse area. A phase sensitivity is completely prevented.

Die 4 und 5 verdeutlichen dies an jeweils einem konkreten Beispiel. Wird gemäß 4 die Pulsfläche beider Laserpulse L1 und L2 zu je 0,5Pi gewählt, so erzeugt der erste Laserpuls L1 eine Besetzung von 0,5 des ersten Zustandes /x>. Der zweite Laserpuls erhöht durch Anregung des zweiten Zustandes /y> die Gesamtbesetzung um 0,25 auf insgesamt 0,75. Gebildet ist somit ein Überlagerungszustand beider Zustände.The 4 and 5 illustrate this with a concrete example. Is according to 4 If the pulse area of both laser pulses L1 and L2 is selected to be 0.5 .pi. each, the first laser pulse L1 generates a population of 0.5 of the first state / x>. By exciting the second state / y>, the second laser pulse increases the total occupation by 0.25 to a total of 0.75. Thus, a superposition state of both states is formed.

5 verdeutlicht dieselbe Situation für eine Pulsfläche von 0,8Pi bei beiden Pulsen. Der erste Puls erzeugt einer Besetzung von 0,904 und der zweite erhöht diese auf 0,99. 5 illustrates the same situation for a pulse area of 0.8Pi for both pulses. The first pulse generates a cast of 0.904 and the second raises it to 0.99.

Es ist somit eine neue und unempfindlichere Anregungsmethode dargelegt, mit der in Quantensysteme mit zwei orthogonalen Zuständen eine Besetzungsinversion erzielt werden kann.Thus, a new and less sensitive excitation method is presented, with which a population inversion can be achieved in quantum systems with two orthogonal states.

6 visualisiert eine Anwendung bei der ein Quantensystem Q wiederum zwei orthogonale Zustände aufweist. Die Richtungen R1 und R2 der elektrischen Felder, mit denen diese beiden Zustände anregbar sind, liegen hier senkrecht zueinander und beide in der Papierebene der Darstellung. 6 visualizes an application in which a quantum system Q again has two orthogonal states. The directions R1 and R2 of the electric fields, with which these two states are excitable, are here perpendicular to each other and both in the paper plane of the representation.

Die Einfallsrichtungen bzw. Ausbreitungsrichtungen A1 und A2 der beiden Laserpulse L1 und L2 sind hier so gewählt, dass diese senkrecht zueinander sind und ebenfalls in derselben Papierebene liegen. Bzgl. der jeweiligen Ausbreitungsrichtung haben beide Laserpulse dieselbe lineare Polarisation P aber dennoch wegen der verschiedenen Ausbreitungsrichtungen A1 und A2 unterschiedliche Richtungen der elektrischen Felder in Bezug auf das Quantensystem. Daher sind mit den beiden richtungsverschiedenen Laserpulsen L1 und L2 die beiden Zustände /X> und /y> selektiv anregbar.The directions of incidence or propagation directions A1 and A2 of the two laser pulses L1 and L2 are selected here such that they are perpendicular to one another and likewise lie in the same plane of the paper. Concerning. In the respective direction of propagation, both laser pulses have the same linear polarization P but nevertheless different directions of the electric fields with respect to the quantum system because of the different directions of propagation A1 and A2. Therefore, the two states / X> and / y> are selectively excitable with the two different direction laser pulses L1 and L2.

Diese Anordnung kann z. B. verwendet werden um die eingangs beschriebene Inversion auf unempfindliche Art und Weise zu erzeugen und/oder um einen Schalter für einen der Laserpulse zu realisieren, wie es im allgemeinen Teil beschrieben wurde.This arrangement may, for. B. can be used to produce the inversion described above in insensitive manner and / or to realize a switch for one of the laser pulses, as described in the general part.

Die Anordnung kann z. B. derart realisiert sein, dass die Ausbreitungswege AW1 und AW2 durch Lichtwellenleiter gegeben sind in deren Kreuzungspunkt das Quantensystem umfassend wenigstens einen Quantenpunkt angeordnet ist.The arrangement may, for. B. be realized such that the propagation paths AW1 and AW2 are given by optical waveguide in the intersection of which the quantum system comprising at least one quantum dot is arranged.

Claims

Method for the preparation of a population inversion in a quantum system (Q) by means of multi-pulse excitation, characterized in that a quantum system (Q) comprising at least one quantum dot with two orthogonal states (/ X>, / Y>), in particular those with mutually orthogonal polarizations (P1, P2) are optically excitable, illuminated with a first laser pulse (L1) which is set for resonant excitation of the first (/ Y>) of the two states (/ X>, / Y>) and subsequently with a second laser pulse (L2 ) which is tuned to resonantly excite the second (/ X>) of the two states (/ X>, / Y>).

A method according to claim 1, characterized in that both laser pulses (L1, L2) are formed by beam splitting from the same original laser pulse and have the same spectral properties, in particular the same pulse area.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that each of the two laser pulses (L1, L2) is set to a pulse area, in particular to each the same pulse area 0.5Pi <= θ <= Pi, preferably 0.8Pi <= θ <= Pi.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that both laser pulses (L1, L2) in the same propagation direction to the quantum system (Q) are irradiated and in this propagation direction mutually perpendicular polarization (P1, P2).

Method according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that both laser pulses (L1, L2) in mutually perpendicular propagation directions (A1, A2) are irradiated within the same plane on the quantum system (Q) and in respective propagation direction (A1, A2) have the same polarization, in particular a linear polarization (P) within said plane and perpendicular to the respective propagation direction (A1, A2).

Use of a method according to one of the preceding claims for forming an inversion state of the quantum system, which is formed by a sequentially excited superposition state of both present in the quantum system states (/ X>, / Y>).

Use of a method according to one of the preceding claims for the formation of a optical switch, in which by means of a first laser pulse with a pulse area of 0.5Pi <= θ <= Pi, preferably 0.8Pi <= θ <= Pi, more preferably of θ = Pi an inversion state is generated in only one of the two states of the quantum system and a laser pulse tuned to the second state, in particular with the same pulse area, passes through the quantum system without substantial absorption.