DE102018105791A1 - Electrical control of an optical transition in a coherent quantum system - Google Patents

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DE102018105791A1
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Jens Förstner
Peter Kölling
Amlan Mukherjee
Dirk Reuter
Andreas Thiede
Alex Widhalm
Artur Zrenner
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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70Photonic 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.

Figure DE102018105791A1_0000
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) ,
Figure DE102018105791A1_0000

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.
Show it:
  • 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.

1a zeigt ein Energie/Zeit Diagramm eines gechirpten Laserpulses 2 und eines nicht-gechirpten Quantensystems 1 aus dem Stand der Technik. Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird das bekannte Konzept der robusten Zustandspräparation in Atomen oder Quantensystemen 1 mittels gechirpter Laserpulse 2 durchgeführt. 1a zeigt die Energieentwicklung eines Quantensystems 1 über die Zeit, wobei das Quantensystem 1 nicht-gechirpt ist und eine konstante Energie besitzt. Die Energie des Laserpulses 2 ist relativ zum Quantensystem 1 im Zeitverlauf zunächst energetisch niedriger und damit rot-verschoben 3. Innerhalb der Wechselwirkungszeit zwischen dem Laserpuls 2 und dem Quantensystem 1, die durch die zeitliche Dauer des Laserpulses 2 gegeben ist, macht der Laserpuls 2 einen energetischen Übergang von einer Rot-Verstimmung der Energie 3 zu einer Blau-verstimmung der Energie 4. 1a shows an energy / time diagram of a chirped laser pulse 2 and a non-chirped quantum system 1 from the prior art. In the current state of the art, the known concept of robust state preparation in atoms or quantum systems 1 by means of chirped laser pulses 2 carried out. 1a shows the energy evolution of a quantum system 1 over time, being the quantum system 1 is non-chirped and has a constant energy. The energy of the laser pulse 2 is relative to the quantum system 1 initially lower in energy over time and thus red-shifted 3. Within the interaction time between the laser pulse 2 and the quantum system 1 caused by the duration of the laser pulse 2 is given, makes the laser pulse 2 an energetic transition from a red-detuning of energy 3 to a blue-mood of energy 4 ,

In 1b ist der gechirpte Laserpuls 5 mit seinem oszillatorischen zeitlichen Feldverlauf aus dem Stand der Technik gezeigt, wobei die zeitliche Änderung der Frequenz zu erkennen ist.In 1b is the chirped laser pulse 5 shown with its oscillatory temporal field profile from the prior art, wherein the temporal change of the frequency can be seen.

In 2a ist ein Energie/Zeit Diagramm eines nicht-gechirpten Laserpulses 2 und eines gechirpten Quantensystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Energie des Laserpulses 2 ist konstant. Beim Eintreffen des Laserpulses 2 macht das Quantensystem einen energetischen Übergang von einer Blau-Verstimmung der Energie 3 zu einer Rot-Verstimmung 4 relativ zu der Energie des Lasers 2. Dieser Fall kann analog zu der optisch gechirpten Anregung betrachtet werden, bei welcher der Laserpuls 2 einen Chirp aufweist, das Quantensystem 1 jedoch eine konstante Energie besitzt. In 2b ist der nicht-gechirpte Laserpuls 6 mit seinem oszillatorischen zeitlichen Feldverlauf dargestellt, wobei sich die Frequenz nicht mit der Zeit ändert.In 2a is an energy / time diagram of a non-chirped laser pulse 2 and a chirped quantum system 1 shown according to an embodiment of the invention. The energy of the laser pulse 2 is constant. When the laser pulse arrives 2 the quantum system makes an energetic transition from a blue detuning of the energy 3 to a red-upset 4 relative to the energy of the laser 2 , This case can be considered analogous to the optically chirped excitation, in which the laser pulse 2 has a chirp, the quantum system 1 however, it has a constant energy. In 2 B is the non-chirped laser pulse 6 represented with its oscillatory temporal field profile, wherein the frequency does not change with time.

In 3 wird der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur elektrischen Steuerung eines optischen Übergangs in einem kohärenten Quantensystem mittels Laserpulsen 6 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Laserpulse werden in einer Laserquelle 16, beispielsweise in einem Titan:Saphir-Laser, erzeugt. Zu jedem Laserpuls 6 wird von dem Laser 16 ein Trigger-Signal 15 ausgegeben. Der optische Laserpuls 6 wird über einen Strahlteiler 17 zu einer QD-Photodiode 7 geführt. Die Zentralwellenlänge des Laserpulses 6 wird so eingestellt, dass der Quantenpunkt 8 resonant angeregt werden kann.In 3 the basic structure of an apparatus for carrying out the method for the electrical control of an optical transition in a coherent quantum system by means of laser pulses 6 shown according to an embodiment of the invention. The laser pulses are in a laser source 16 For example, in a titanium: sapphire laser produced. For every laser pulse 6 gets from the laser 16 a trigger signal 15 output. The optical laser pulse 6 is via a beam splitter 17 to a QD photodiode 7 guided. The central wavelength of the laser pulse 6 is set so that the quantum dot 8th resonantly excited.

Wie oben bereits erwähnt wird zu jedem Laserpuls 6 von der Laser-Quelle 16 ein elektrisches Trigger-Signal 15 ausgegeben und zu einer steuerbaren elektrischen Verzögerungseinheit 14 weitergeleitet. Die Verzögerungseinheit 14 erzeugt eine relativ zum optischen Puls 6 einstellbare Verzögerung des elektrischen Signals. Der Ausgang wird zu einem BiCMOS-Chip 13 geführt. Dieser Chip erzeugt zu jedem elektrischen Trigger-Signal 15 des Lasers 16 einen elektrischen Puls 12, welcher an die Photodiode 7 angelegt wird. Die Anstiegs- und Abfallzeiten des elektrischen Pulses 12 sind mit weniger als 100 ps und deutlich kürzer als die Kohärenzzeit eines Quantenpunkt-Exzitons.As mentioned above, each laser pulse 6 from the laser source 16 an electrical trigger signal 15 output and to a controllable electrical delay unit 14 forwarded. The delay unit 14 generates a relative to the optical pulse 6 adjustable delay of the electrical signal. The output is fed to a BiCMOS chip 13. This chip generates to every electrical trigger signal 15 the laser 16 an electrical pulse 12 which is connected to the photodiode 7 is created. The rise and fall times of the electrical pulse 12 are less than 100 ps and significantly shorter than the coherence time of a quantum dot exciton.

Die Verzögerungseinheit 14 wird so eingestellt, dass die ansteigende oder abfallende Flanke des elektrischen Signals 12 zeitlich mit dem optischen Puls 6 synchronisiert wird. Der resultierende elektrisch induzierte Chirp der Energie des Quantensystems 8 führt so bei Anregung mit einem nicht-gechirpten optischen Puls 6 zu einer vollständigen Besetzungsinversion mittels Rapid Adiabatic Passage. Dabei entsteht im Quantenpunkt 8 genau ein Exziton, dessen strahlende Rekombination die Emission genau eines Photons 18 zur Folge hat. Das entstandene Photon wird am Strahlteiler 17 ausgekoppelt.The delay unit 14 is set so that the rising or falling edge of the electrical signal 12 in time with the optical pulse 6 is synchronized. The resulting electrically induced chirp of the energy of the quantum system 8th thus results in excitation with a non-chirped optical pulse 6 to a complete population inversion via Rapid Adiabatic Passage. This arises in the quantum dot 8th exactly one exciton whose radiative recombination is the emission of exactly one photon 18 entails. The resulting photon is at the beam splitter 17 decoupled.

In 4a ist ein Energie/Zeit Diagramm eines nicht-gechirpten Laserpulses 2 und die Erzeugung eines Biexzitons 21 durch sequenzielle Rapid Adiabatic Passage gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Mittels der sequenziellen Rapid Adiabatic Passage werden durch zwei aufeinander folgende RAP Prozesse, zuerst die Anregung eines Exzitons 20 durch Anregung des Grundzustands |0> über einen ersten RAP Prozess zum Ein-Exziton-Zustand |X> 20 und danach die Anregung vom Ein-Exziton-Zustand |X> 20 zum Biexziton-Zustand |XX> 21 über einen zweiten RAP Prozess durchgeführt. Bei diesem sequentiellen Prozess werden die anfänglich zur Laserenergie 2 Rot-verschobenen 4 Exziton 20 und Biexziton 21 Übergangsenergien elektrisch in den Bereich der Blau-Verschiebung 3 gechirpt. Da für die Anregung vom Grundzustand zum Exziton 20 in der Regel eine höhere Energie erforderlich ist als für die Anregung vom Exziton 20 zum Biexziton 21 (positive Biexziton Bindungsenergie im Quantenpunkt), erfolgt bei einem Chirp von der Rot-zur Blau-Verschiebung die Anregung des Exzitons 20 durch den nicht-gechirpten Laserpuls 2 zeitlich kurz vor der Anregung vom Exziton zum Biexziton 21. Die sequentielle Anregung zum Biexziton kann so vorteilhaft in der richtigen Reihenfolge durchgeführt werden. Für Quantenpunkte mit negativer Biexziton Bindungsenergie kann der Chirp analog von der Blau- zur Rot-Verschiebung erfolgen.In 4a is an energy / time diagram of a non-chirped laser pulse 2 and the creation of a bending citation 21 by sequential rapid adiabatic passage according to another embodiment of the invention. By means of the sequential Rapid Adiabatic Passage, two excitatory RAP processes, the excitation of an exciton first 20 by excitation of the ground state | 0> via a first RAP process to the one exciton state | X> 20 and then the excitation from the one exciton state | X> 20 to the exciton state | XX> 21 via a second RAP process , In this sequential process, they initially become laser energy 2 Red-shifted 4 exciton 20 and Biexziton 21 Transition energies electrically in the region of the blue shift 3 chirped. As for the excitation from the ground state to the exciton 20 usually higher energy is required than excitatory excitement 20 to the Biexziton 21 (positive Biexziton binding energy in the quantum dot), in a chirp from the red to the blue shift, the excitation of the exciton 20 through the non-chirped laser pulse 2 shortly before the excitement from exciton to biexciton 21 , The sequential excitation for bending excitement can be carried out so advantageously in the correct order. For quantum dots with negative Biexziton binding energy, the chirp can be carried out analogous to the blue to red shift.

In 4b ist der nicht-gechirpte Laserpuls 6 mit seinem oszillatorischen zeitlichen Feldverlauf gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei sich die Frequenz nicht mit der Zeit ändert.In 4b is the non-chirped laser pulse 6 shown with its oscillatory temporal field profile according to another embodiment of the invention, wherein the frequency does not change with time.

In 5 ist der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei das Quantensystem 1 in einer photonischen Struktur 22 eingebettet ist. In der gezeigten Vorrichtung ist das elektrisch abstimmbare Quantensystem als p-i-n Diode mit lateral kontaktierter p-Schicht 23 und n-Schicht 9 ausgeführt. Der Quantenpunkt 8 befindet sich im Zentrum der i-Schicht. In 5 ist gezeigt, dass das Quantensystem in einem µ-Resonator 22 eingebettet ist. Aufgrund des geringen longitudinalen Füllfaktors sind Resonatorspiegel 24, 25 mit hoher Reflektivität notwendig. Daher und wegen des vertikalen Aufbaus bieten sich hier besonders Bragg-Spiegel 24, 25 an, die aus mehreren Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex bestehen. Der in 5 gezeigte µ-Resonator 22 besteht aus einem teildurchlässigen Bragg-Spiegel 24, der die Auskopplung von Licht erlaubt, und einem vollreflektierenden Bragg-Spiegel 25. Eine hohe Güte der Resonatoren über etwa 10000 führt jedoch zu spektral schmalen Resonator-Moden und zur einer starken, unvorteilhaften spektralen Filterung optisch gechirpter Laserpulse. Daher ist eine Anregung eines in einer photonischen Struktur eingebetteten Quantensystems 8 durch Rapid Adiabatic Passage nur mittels des erfindungsgemäßen elektrischen Chirps möglich.In 5 the basic structure of an apparatus for performing the method according to another embodiment of the invention is shown, wherein the quantum system 1 in a photonic structure 22 is embedded. In the device shown, the electrically tunable quantum system is a pin diode with a laterally contacted p-layer 23 and n-layer 9 executed. The quantum dot 8th is in the center of the i-layer. In 5 is shown that the quantum system in a μ-resonator 22 is embedded. Due to the low longitudinal fill factor resonator mirrors 24 . 25 necessary with high reflectivity. Therefore, and because of the vertical structure offer here especially Bragg mirrors 24 . 25 which consist of several layers with alternately high and low refractive index. The in 5 shown μ-resonator 22 consists of a semitransparent Bragg mirror 24 , which allows the coupling of light, and a fully reflecting Bragg mirror 25 , However, a high quality of the resonators above about 10,000 leads to spectrally narrow resonator modes and to a strong, unfavorable spectral filtering of optically chirped laser pulses. Therefore, an excitation of a quantum system embedded in a photonic structure is 8th by rapid adiabatic passage only possible by means of the electrical chirp according to the invention.

In 6a ist ein Energie/Zeit Diagramm eines nicht-gechirpten Laserpulses 2 und eines gechirpten Quantensystems 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, im dem eine vollständige Besetzungsinversion mittels Rapid Adiabatic Passage erzeugt wird. Im Zeitbereich nach der Anregung wird die Energie des Quantensystems durch elektrische Abstimmung 26 mittels Stark Effekt spektral um ΔE verstimmt. Dieses Verfahren erlaubt es, die im Vergleich zur Anregung vergleichsweise langsame Emission in der Energie abzustimmen, um beispielsweise eine vorgegebene Ziel-Energie oder die Energie einer Resonator-Mode zu erreichen.In 6a is an energy / time diagram of a non-chirped laser pulse 2 and a chirped quantum system 1 according to an embodiment of the invention in which a complete population inversion is generated by means of rapid adiabatic passage. In the time domain after the excitation, the energy of the quantum system becomes by electrical tuning 26 by means of strong effect spectrally AE tune. This method makes it possible to tune the comparatively slow emission compared to the excitation in energy, for example to achieve a predetermined target energy or the energy of a resonator mode.

In 6b ist der nicht-gechirpte Laserpuls 6 mit seinem oszillatorischen zeitlichen Feldverlauf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei sich die Frequenz nicht mit der Zeit ändert.In 6b is the non-chirped laser pulse 6 shown with its oscillatory temporal field course according to an embodiment of the invention, wherein the frequency does not change with time.

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)

Verfahren zur elektrischen Steuerung eines optischen Übergangs in einem kohärenten Quantensystem (1), wobei mittels Laserpulsen (2) ein Quantenzustand angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, 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.Method for electrically controlling an optical transition in a coherent quantum system (1), wherein a quantum state is excited by means of laser pulses (2), characterized in that the laser pulses (2) have a constant energy and the quantum system (1) has a chirp, 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). Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Energieverstimmung durch ein extern steuerbares transientes elektrisches Feld erzeugt wird.Method according to Claim 1 characterized in that the energy detuning by a externally controllable transient electric field is generated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenzustand zumindest ein einzelnes Exziton ist und zur Anregung eine elektrisch induzierte Rapid Adiabatic Passage (RAP) verwendet wird.Method according to Claim 1 or 2 characterized in that the quantum state is at least a single exciton and for the excitation of an electrically induced rapid adiabatic passage (RAP) is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenzustand zumindest ein Biexziton ist und zur Anregung eine sequenzielle Rapid Adiabatic Passage (RAP) verwendet wird, wobei die Anregung über den Grundzustand |0> zum Ein-Exziton-Zustand |X> (20) zum Biexziton-Zustand |XX> (21) erfolgt, wobei die Anregung innerhalb der Zeitdauer des Laserpulses (2) erfolgt.Method according to Claim 1 or 2 characterized in that the quantum state is at least a Biexziton and for excitation a sequential Rapid Adiabatic Passage (RAP) is used, wherein the excitation of the ground state | 0> to the one-exciton state | X> (20) to Biexziton state | XX> (21) takes place, wherein the excitation within the duration of the laser pulse (2) takes place. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung des Quantenzustands ein cw-Laser in Kombination mit dem extern steuerbaren transienten elektrischen Feld verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for excitation of the quantum state, a cw laser is used in combination with the externally controllable transient electric field. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Quantensystem (1) in einen µ-Resonator (22) eingebettet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the quantum system (1) is embedded in a μ-resonator (22). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zustandskontrolle und/oder zur nachträglichen Abstimmung der Energie des Quantensystems (1) ein Resonator (22) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a resonator (22) is used for state control and / or for subsequent tuning of the energy of the quantum system (1). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Quantensystem (1) zwischen den Bereichen der strahlenden Rekombination sowie der Photostrom-Generation dynamisch umgeschaltet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the quantum system (1) is dynamically switched between the regions of the radiative recombination and of the photocurrent generation. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des extern steuerbaren transienten elektrischen Felds ein BiCMOS-Chip (13) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a BiCMOS chip (13) is used to generate the externally controllable transient electric field. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Quantensystem eine Quantenpunkt-Photodiode (7) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a quantum dot photodiode (7) is used as the quantum system. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Apparatus for carrying out the method according to one of Claims 1 to 10 , Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 11 in einem Halbleiter-Einzelphoton-Emitter.Use of the device according to Claim 11 in a semiconductor single photon emitter. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüchen 1 bis 10 für einen Halbleiter-Einzelphoton-Emitter.Use of the method according to one of Claims 1 to 10 for a semiconductor single photon emitter.
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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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