Neue Publikation | Ununterscheidbare und verschränkte Photonen durch maßgeschneiderte Resonatordesigns

Quantenemitter, die sowohl ununterscheidbare als auch polarisationsverschränkte Photonen erzeugen, sind wesentliche Voraussetzungen für die photonenbasierte Quanteninformationsverarbeitung. Während die entartete Zwei-Photonen-Emission eines Biexzitons eine hohe Polarisationsverschränkung, aber eine geringe Ununterscheidbarkeit bietet, weisen Einzelphotonen aus der Biexziton-Exziton Emissionskaskade in der Regel die gegenteiligen Eigenschaften auf, was vor allem auf das Biexziton-Exziton-Lebensdauerverhältnis zurückzuführen ist.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, muss die Lebensdauer des Biexzitons künstlich reduziert werden. In dieser Studie erreichen Bauch et al. diese Reduzierung, indem sie ein kreisförmiges Bragg-Gitter in das System einführen, wodurch der Biexziton-Exziton-Übergang Purcell-Verstärkt wird und folglich die Lebensdauer des Biexzitons verringert. Der Resonator wird durch Maxwell-Simulationen optimiert, und die Quanteneigenschaften der emittierten Photonen werden mit einer umfassenden quantenmechanischen Beschreibung simuliert. Die resultierenden Photonen weisen eine hohe Ununterscheidbarkeit auf und behalten gleichzeitig einen hohen Grad an Polarisationsverschränkung.

Link zur Publikation: https://doi.org/10.1002/qute.202300142

Bild (Universität Paderborn, D. Bauch und D. Siebert): Schema des Quantenpunkt(QD)-Resonatorsystems (a) mit Vier-Niveau-System des Biexzitons und (b) künstlerische Darstellung des Resonators mit kreisförmigem Bragg-Gitter (CBG) mit Anregung des Quantenpunktes (gelb) und Emission von Photonen (orange, blau).
Bild (Universität Paderborn, D. Bauch und D. Siebert): (a) Gerenderte Abbildung des CBG-Resonators. (b) Seitenansicht der Resonatorkonstruktion und der Optimierungsparameter. Der zusätzliche variable Freiheitsgrad für die erste Grabenbreite W1 ermöglicht eine Feinabstimmung des Resonators.
Bild (Universität Paderborn, D. Bauch und D. Siebert): (a,d) Ununterscheidbarkeit des emittierten Exziton-Photons (b,c) des emittierten Biexziton-Photons und (c,f) Verschränkung beider Photonen. Der Maxwell-optimierte Resonator ist mit einem ‘x’ in Abbildung (e) markiert.

Kontakt

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Prof. Dr. Stefan Schumacher

Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS)

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Prof. Dr. Jens Förstner

Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik

Koordinator Studiengang Optoelectronics&Photonics