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Abstract

Einzelne Photonen stellen eine wichtige Ressource in den Bereichen des photonischen Quantencomputings und der Quantenkommunikation dar. In dieser Arbeit wird ein theoretisch vorausgesagter Prozess, die Nonlinear Down-Conversion, in einem einzelnen Quantenpunkt experimentell nachgewiesen und genauer untersucht. Dieser Prozess erlaubt es, die Eigenschaften der emittierten Photonen durch ein optisches Kontrollfeld maßzuschneidern.Um diesen Prozess beobachten zu können, mussten zunächst die notwendigen spektroskopischen Techniken entwickelt werden. Hierbei wurde ein besonderer Fokus auf die Unterdrückung zurück reflektierten Laserlichts gelegt. Da der Ausgangszustand für den Down-Conversion-Prozess der Biexziton-Zustand ist, wurde dessen Anregung zunächst genauer untersucht. Als geeignete Methode für weitere Experimente stellte sich die phonon-assistierte Zwei-Photonen-Anregung heraus, da diese sehr robust gegenüber Verstimmungen ist. Basierend auf diesen Vorarbeiten, konnte dann die Nonlinear Down-Conversion experimentell nachgewiesen werden. Im Folgenden wurde dieser Prozess dann genauer untersucht. Dabei konnte die Emission in einem Abstimmbereich von 0,5 meV um Exziton- und Biexzitonlinie beobachtet werden. Diese zeigte weiterhin ein Anti-Crossing mit diesen zwei Emissionslinien. Eine tiefergehende Analyse dieses Verhaltens zeigte die nahe Verwandtschaft zwischen der Down-Conversion und dem Konzept von Dressed States.Weiterhin wurden polarisationsabhängige Experimente zur Down-Conversion durchgeführt. Hierbei konnte die theoretisch erwartete Polarisationskontrolle für lineare und zirkulare Polarisation erfolgreich demonstriert werden. Die Messdaten zeigten weiterhin eine sehr gute Übereinstimmung mit theoretischen Daten, was die Gültigkeit der Auswahlregeln auch für elliptische Polarisation nahelegt.

Abstract

Single photons are an important resource in the growing fields of photonic quantum computation and quantum communication. This work demonstrates and takes a close look at the theoretically predicted process of nonlinear down-conversion in a single quantum dot that allows tailoring the single photon emission using an optical control field. To be able to observe this process, the necessary spectroscopic techniques were developed, where a major emphasis was put on the suppression of backscattered laser light. The result of this development was a setup combining cross-polarized detection with spectral filtering. Since the down-conversion process requires the quantum dot to be in the biexciton state, different methods of preparing this state were studied. Phonon-assisted two-photon excitation was determined as the method of choice for further experiments, as it proved to be robust against detuning. With these building blocks in place the nonlinear down-conversion could be demonstrated and subjected to a detailed study. During these experiments a tuning range of 0.5 meV around the emission of exciton and biexciton could be achieved. Furthermore, the down-conversion showed an anti-crossing with these two lines. A closer analysis showed a close relation between nonlinear down-conversion and the concept of dressed states. Furthermore, polarization dependent measurements of the down-conversion were conducted. Here, the theoretically expected polarization control could be experimentally demonstrated for linear and circular polarization. The results are furthermore in good agreement with a theoretical model, suggesting validity of the selection rules also for elliptical polarization.