DE102018105791A1 - Electrical control of an optical transition in a coherent quantum system - Google Patents
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- H04B10/70—Photonic quantum communication
Abstract
Ein Verfahren zur elektrischen Steuerung eines optischen Übergangs in einem kohärenten Quantensystem (1), wobei mittels Laserpulsen (2) ein Quantenzustand angeregt wird, soll dahingehend weiterentwickelt werden, dass der für eine robuste Zustandspräparation nötige Chirp nicht dem Laserpuls (2), sondern dem Quantensystem (1) aufgeprägt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Laserpulse (2) eine konstante Energie aufweisen und das Quantensystem (1) einen Chirp aufweist, wobei der Chirp des Quantensystems (1) durch transiente Energieverstimmung mittels Stark-Effekt zeitlich synchron zu den Laserpulsen (2) erzeugt wird. A method for the electrical control of an optical transition in a coherent quantum system (1), wherein a quantum state is excited by means of laser pulses (2), is to be further developed so that the chirp necessary for a robust state preparation does not belong to the laser pulse (2) but to the quantum system (1) is imprinted. This is achieved in that the laser pulses (2) have a constant energy and the quantum system (1) has a chirp, wherein the chirp of the quantum system (1) is generated by transient energy detuning by means of Stark effect in time synchronism with the laser pulses (2) ,
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Steuerung eines optischen Übergangs in einem kohärenten Quantensystem mittels Laserpulsen.The invention relates to a method and a device for the electrical control of an optical transition in a coherent quantum system by means of laser pulses.
Auch betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des Verfahrens für einen Halbleiter-Einzelphoton-Emitter, sowie die Verwendung der Vorrichtung in einem Halbleiter-Einzelphoton-Emitter.Also, the present invention relates to the use of the method for a semiconductor single photon emitter, as well as the use of the device in a semiconductor single photon emitter.
Die kohärente Zustandsvorbereitung und Zustandssteuerung von einzelnen Quantensystemen ist eine wichtige Voraussetzung für die Implementierung funktionaler Quantenbauelemente. Prominente Beispiele für solche Systeme sind Halbleiter-Einzelphoton-Emitter, die beispielsweise aus Quantenpunkt-Photodioden mit Halbleiter-Quantenpunkten aufgebaut sind und insbesondere in der Quanteninformationsverarbeitung und der Quantenkryptographie eingesetzt werden. Eine fehlertolerante optische Anregung dieser Einzelphoton-Emitter ist hierbei von großer Bedeutung.The coherent state preparation and state control of individual quantum systems is an important prerequisite for the implementation of functional quantum devices. Prominent examples of such systems are semiconductor single-photon emitters, which are constructed, for example, from quantum dot photodiodes with semiconductor quantum dots and are used in particular in quantum information processing and quantum cryptography. A fault-tolerant optical excitation of these single-photon emitters is of great importance here.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, bei denen eine robuste Zustandspräparation in Atomen oder Quantenpunkten mittels gechirpter Laserpulse durchgeführt wird. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass der instrumentelle Aufwand zur Bereitstellung gechirpter Laserpulse sehr hoch ist. Die spektralen Eigenschaften derartiger Laserpulse werden durch optische Komponenten wie Gitter bestimmt. Die Laserpulse sind daher auf kurzen Zeitskalen nicht steuerbar oder veränderbar. Ein weiterer Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass wenn sich die optisch aktiven Quantensysteme in photonischen Strukturen wie etwa Mikroresonatoren befinden, die spektralen Eigenschaften der Laserpulse modifiziert und gefiltert werden, bevor sie mit dem Quantensystem in Wechselwirkung treten.Methods are known from the prior art in which a robust state preparation in atoms or quantum dots is carried out by means of chirped laser pulses. These methods known from the prior art have the disadvantage that the instrumental outlay for providing chirped laser pulses is very high. The spectral properties of such laser pulses are determined by optical components such as gratings. The laser pulses are therefore not controllable or changeable on short time scales. Another disadvantage of the prior art methods is that when the optically active quantum systems are in photonic structures such as microresonators, the spectral properties of the laser pulses are modified and filtered before interacting with the quantum system.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektrischen Steuerung eines optischen Übergangs in einem kohärenten Quantensystem zur Verfügung zu stellen, bei dem der für eine robuste Zustandspräparation nötige Chirp nicht dem Laserpuls, sondern dem Quantensystem aufgeprägt wird.Based on the above-mentioned prior art, the object of the invention is thus to provide a method for the electrical control of an optical transition in a coherent quantum system, in which the chirp necessary for a robust state preparation is impressed not on the laser pulse but on the quantum system becomes.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zur elektrischen Steuerung eines optischen Übergangs in einem kohärenten Quantensystem angegeben, wobei mittels Laserpulsen ein Quantenzustand angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse eine konstante Energie aufweisen und das Quantensystem einen Chirp aufweist, wobei der Chirp des Quantensystems durch transiente Energieverstimmung mittels Stark-Effekt zeitlich synchron zu den Laserpulsen erzeugt wird.According to the invention, therefore, a method for the electrical control of an optical transition in a coherent quantum system is indicated, wherein a quantum state is excited by laser pulses, characterized in that the laser pulses have a constant energy and the quantum system has a chirp, wherein the chirp of the quantum system by transient energy detuning is generated synchronously in time to the laser pulses by means of Stark effect.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, dem Quantensystem den nötigen Chirp durch transiente Energieverstimmung mittels Stark Effekt aufzuprägen.The basic idea of the present invention is therefore to impose the necessary chirp on the quantum system by transient energy detuning by means of Stark effect.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Energieverstimmung durch ein extern steuerbares, transientes elektrisches Feld erzeugt. Der Stark Effekt lässt sich durch anlegen von einem externen elektrischen Feld erzeugen, vorteilhaft dabei ist, dass der Stark Effekt durch ein steuerbares elektrisches Feld exakt gesteuert werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, the energy detuning is generated by an externally controllable, transient electric field. The Stark effect can be generated by applying an external electric field, it is advantageous that the Stark effect can be controlled exactly by a controllable electric field.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Quantensystem zumindest ein einzelnes Exziton in einem Quantenpunkt und zur Anregung wird eine elektrisch induzierte Rapid Adiabatic Passage (RAP) verwendet. Bei der Rapid Adiabatic Passage handelt es sich um ein Verfahren zum vollständigen Besetzungstransfer in einem Zwei-Niveau-System. Vorteilhaft hierbei ist, dass durch die Rapid Adiabatic Passage sich in einem Zwei-Niveau-System eine vollständige Besetzungsinversion erzeugen lässt, die robust gegenüber der Anregungsamplitude ist.In a further advantageous embodiment of the invention, the quantum system is at least a single exciton in a quantum dot and for excitation, an electrically induced rapid adiabatic passage (RAP) is used. The Rapid Adiabatic Passage is a complete occupancy transfer process in a two-level system. The advantage here is that the rapid adiabatic passage can be used in a two-level system to generate a complete population inversion that is robust to the excitation amplitude.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Quantensystem zumindest ein Biexziton in einem Quantenpunkt und zur Anregung wird eine sequenzielle Rapid Adiabatic Passage (RAP) verwendet, wobei die Anregung über den Grundzustand |0> zum Ein-Exziton-Zustand |X> zum Biexziton-Zustand |XX> erfolgt, wobei die Anregung innerhalb der Zeitdauer des Laserpulses erfolgt. Die sequenzielle Rapid Adiabatic Passage ist die Umsetzung von zwei aufeinander folgenden RAP Prozessen mittels eines extern steuerbaren transienten elektrischen Felds, wobei die Anregung eines Biexzitons durch Anregung des Grundzustands |0> über einen ersten RAP Prozess zum Ein-Exziton-Zustand |X> und die Anregung zum Biexziton-Zustand |XX> über einen zweiten RAP Prozess in sequentieller Weise erfolgt.In an advantageous embodiment of the invention, the quantum system is at least one bending exciton in a quantum dot and for excitation a sequential rapid adiabatic passage (RAP) is used, the excitation via the ground state | 0> to the one exciton state | X> to the bending exciton State | XX> occurs, whereby the excitation occurs within the duration of the laser pulse. The sequential rapid adiabatic passage is the implementation of two consecutive RAP processes by means of an externally controllable transient electric field, whereby the excitation of a bending citon by excitation of the ground state | 0> via a first RAP process to the one-exciton state | X> and the Excitation to the Biexziton state | XX> via a second RAP process in a sequential manner.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Anregung des Quantenzustands ein cw-Laser in Kombination mit dem extern steuerbaren transienten elektrischen Feld verwendet. Die Ausgestaltung kann besonders vorteilhaft bei Quantensystemen mit langer Lebensdauer und Kohärenzzeit angewendet werden.In a further advantageous embodiment of the invention, a cw laser is used in combination with the externally controllable transient electric field to excite the quantum state. The design can be applied particularly advantageously in quantum systems with a long service life and coherence time.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Quantensystem in einen |µ-Resonator eingebettet. Hierbei ist vorteilhaft, dass eine robuste Anregung eines in einer photonischen Struktur eingebetteten Quantensystems wie etwa in einem Mikroresonator durch Rapid Adiabatic Passage nur mittels des erfindungsgemäßen elektrischen Chirps möglich ist, da bei hohen Resonartorgüten (von typisch über 10000) ein optisch gechirpter Laser-Puls durch die Resonator-Mode stark gefiltert werden würde und daher seine vorteilhaften Chirp-Eigenschaften verlieren würde. In an advantageous embodiment of the invention, the quantum system is embedded in a | μ-resonator. In this case, it is advantageous that a robust excitation of a quantum system embedded in a photonic structure, such as in a microresonator by rapid adiabatic passage, is only possible by means of the electrical chirp according to the invention, since with high resonator grades (typically over 10000) an optically chirped laser pulse the resonator mode would be heavily filtered and therefore lose its advantageous chirp properties.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Zustandskontrolle und/oder zur nachträglichen Abstimmung der Energie des Quantensystems ein Resonator verwendet wird. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein |µ-Resonator verwendet, in den ein elektrisch abstimmbares Quantensystem in Form einer p-i-n Struktur mit einem Quantenpunkt innerhalb der i-Schicht eingebettet ist.In a further advantageous embodiment of the invention, a resonator is used for state control and / or for subsequent tuning of the energy of the quantum system. In a particularly advantageous embodiment of the invention, a | μ-resonator is used, in which an electrically tunable quantum system in the form of a p-i-n structure with a quantum dot is embedded within the i-layer.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Quantensystem zwischen den Bereichen der strahlenden Rekombination sowie der Photostrom-Generation dynamisch umgeschaltet. Durch Messung des deterministischen Photostroms kann die Vollständigkeit des Besetzungstransfers quantitativ überprüft werden.In an advantageous embodiment of the invention, the quantum system is dynamically switched between the regions of the radiative recombination and of the photocurrent generation. By measuring the deterministic photocurrent, the completeness of the occupation transfer can be quantitatively verified.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erzeugung des extern steuerbaren, transienten elektrischen Feldes ein BiCMOS-Chip verwendet. Auf der SiGe:C- und CMOS-Technologie basierende Chips zeichnen sich durch eine besonders hohe Betriebsfrequenz, sehr gute Treibereigenschaften und vorteilhafte Betriebsparameter zur Ansteuerung von Quantensystemen hinsichtlich Strom, Spannung und Temperatur aus.In a further advantageous embodiment of the invention, a BiCMOS chip is used to generate the externally controllable, transient electric field. On the SiGe: C and CMOS technology-based chips are characterized by a particularly high operating frequency, very good driver characteristics and advantageous operating parameters for controlling quantum systems in terms of current, voltage and temperature.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Quantensystem eine Quantenpunkt-Photodiode verwendet. Die Quantenpunkt-Photodiode kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus einer n-i-Schottky-Diode basierend auf GaAs mit InGaAs-Quantenpunkten bestehen, wobei die InGaAs-Quantenpunkte in der i-Schicht eingebettet sind. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine pin-Diode verwendet.In an advantageous embodiment of the invention, a quantum dot photodiode is used as the quantum system. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the quantum dot photodiode can consist of an n-i Schottky diode based on GaAs with InGaAs quantum dots, the InGaAs quantum dots being embedded in the i-layer. In a further particularly advantageous embodiment of the invention, a pin diode is used.
Weiter ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.Furthermore, an apparatus for carrying out the method is specified according to the invention.
Auch erfindungsgemäß ist die Verwendung der Vorrichtung in einem Halbleiter-Einzelphoton-Emitter angegeben.Also according to the invention, the use of the device is given in a semiconductor single photon emitter.
Weiter ist erfindungsgemäß die Verwendung des Verfahrens für einen Halbleiter-Einzelphoton-Emitter angegeben.Furthermore, according to the invention, the use of the method for a semiconductor single photon emitter is specified.
Als essentielle Bausteine der Quanten-Informationstechnologie sind effiziente Emitter einzelner Photonen von grundlegendem Interesse. Daher ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Halbleiter-Einzelphoton-Emitter, sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Halbleiter-Einzelphoton-Emitter besonders vorteilhaft.As essential building blocks of quantum information technology, efficient emitters of individual photons are of fundamental interest. Therefore, the use of the device according to the invention in a semiconductor single photon emitter, as well as the use of the inventive method for a semiconductor single photon emitter is particularly advantageous.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments. The illustrated features may represent an aspect of the invention both individually and in combination. Features of various embodiments are transmittable from one embodiment to another.
Es zeigen:
-
1a ein Energie/Zeit Diagramm eines gechirpten Laserpulses und eines nichtgechirptes Quantensystems aus dem Stand der Technik, -
1b ein Amplituden/Zeit Diagramm eines gechirpten Laserpulses aus dem Stand der Technik, -
2a ein Energie/Zeit Diagramm eines nicht-gechirpten Laserpulses und eines gechirpten Quantensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2b ein Amplituden/Zeit Diagramm eines nicht-gechirpten Laserpulses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
3 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
4a ein Energie/Zeit Diagramm eines nicht-gechirpten Laserpulses und die Erzeugung eines Biexzitons durch sequenzielle RAP gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
4b ein Amplituden/Zeit Diagramm eines nicht-gechirpten Laserpulses gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
5 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Quantensystem in einer photonischen Struktur eingebettet ist, -
6a ein Energie/Zeit Diagramm eines nicht-gechirpten Laserpulses und eines gechirpten Quantensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, dessen Energie nach erfolgter Anregung eingestellt wird, und -
6b ein Amplituden/Zeit Diagramm eines nicht-gechirpten Laserpulses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1a an energy / time diagram of a chirped laser pulse and a non-chirped quantum system of the prior art, -
1b an amplitude / time diagram of a chirped laser pulse of the prior art, -
2a an energy / time diagram of a non-chirped laser pulse and a chirped quantum system according to an embodiment of the invention, -
2 B an amplitude / time diagram of a non-chirped laser pulse according to an embodiment of the invention, -
3 the basic structure of an apparatus for carrying out the method according to an embodiment of the invention, -
4a an energy / time diagram of a non-chirped laser pulse and the generation of a bending cite by sequential RAP according to another embodiment of the invention, -
4b an amplitude / time diagram of a non-chirped laser pulse according to a further embodiment of the invention, -
5 the basic structure of an apparatus for performing the method according to another embodiment of the invention, wherein the quantum system is embedded in a photonic structure, -
6a an energy / time diagram of a non-chirped laser pulse and a chirped quantum system according to a Embodiment of the invention, whose energy is adjusted after excitation, and -
6b an amplitude / time diagram of a non-chirped laser pulse according to an embodiment of the invention.
In
In
In
Wie oben bereits erwähnt wird zu jedem Laserpuls
Die Verzögerungseinheit
In
In
In
In
In
Die dieser Patentanmeldung zu Grunde liegende Erfindung entstand in einem Projekt, welches unter dem Förderkennzeichen SFB TRR 142, TP C04 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wurde.The invention underlying this patent application was developed in a project which was funded under the grant mark SFB TRR 142, TP C04 by the Deutsche Forschungsgemeinschaft.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Energie QuantensystemEnergy quantum system
- 22
- Energie LaserpulsEnergy laser pulse
- 33
- Quantensystem blau-verschoben zur Energie des LaserpulsesQuantum system blue-shifted to the energy of the laser pulse
- 44
- Quantensystem rot-verschoben zur Energie des LaserpulsesQuantum system red-shifted to the energy of the laser pulse
- 55
- Gechirpter LaserpulsChirped laser pulse
- 66
- Nicht-gechirpter LaserpulsNon-chirped laser pulse
- 77
- Quantenpunkt-PhotodiodeQuantum dot photodiode
- 88th
- Quantenpunktquantum dot
- 99
- n+-Kontakt der Quantenpunkt-Photodioden + contact of the quantum dot photodiode
- 1010
- Schottky-Frontkontakt der Quantenpunkt-PhotodiodeSchottky front contact of the quantum dot photodiode
- 1111
- Semitransparenter Schottky-KontaktSemitransparent Schottky contact
- 1212
- Elektrisches SignalElectric signal
- 1313
- BiCMOS-ChipBiCMOS chip
- 1414
- Steuerbare VerzögerungseinheitControllable delay unit
- 1515
- Triggersignaltrigger signal
- 1616
- Laser-QuelleLaser Source
- 1717
- Strahlteilerbeamsplitter
- 1818
- Emission einzelner PhotonenEmission of single photons
- 1919
- Photostrom-MessungPhotocurrent measurement
- 2020
- |X> Exziton Zustand| X> exciton condition
- 2121
- |XX> Biexziton Zustand| XX> Biexciton Condition
- 2222
- µ-Resonator mit Quantenpunkt-Photodiodeμ resonator with quantum dot photodiode
- 2323
- p+-Kontakt der Quantenpunkt-Photodiodep + contact of the quantum dot photodiode
- 2424
- Teildurchlässiger Bragg-SpiegelPartly transparent Bragg mirror
- 2525
- Voll reflektierender Bragg-SpiegelFully reflective Bragg mirror
- 2626
- Elektrische Einstellung der Emissionsenergie des QuantensystemsElectrical adjustment of the emission energy of the quantum system
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018105791.1A DE102018105791A1 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Electrical control of an optical transition in a coherent quantum system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018105791.1A DE102018105791A1 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Electrical control of an optical transition in a coherent quantum system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102018105791A1 true DE102018105791A1 (en) | 2019-09-19 |
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ID=67774359
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102018105791.1A Pending DE102018105791A1 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Electrical control of an optical transition in a coherent quantum system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102018105791A1 (en) |
-
2018
- 2018-03-13 DE DE102018105791.1A patent/DE102018105791A1/en active Pending
Non-Patent Citations (2)
Title |
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Huber, D.; u.a.: "Semiconductor quantum dots as an ideal source of polarization-entangled photon pairs on-demand: a review". In: J. Opt. 20 (2018) 073002 (17 Seiten); doi:10.1088/2040-8986/aac4c4 * |
Reiter, D.E.; u.a.: "The role of phonons for exciton and biexciton generation in an optically driven quantum dot". In: J. Phys.: Condens. Matter 26 (2014) 423203 (20Seiten); doi:10.1088/0953-8984/26/42/423203 * |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |