English

Recently, the public has become aware of keywords like “Quantum computer“ or “Quantum cryptography“. Regarding their potential application in solid state based quantum information processing and their overall benefit in fundamental research quantum dots have gained more and more public interest. In this context, quantum dots are often referred to as “artificial atoms“, a term subsuming their physical properties quite nicely and emphasizing the huge potential for further investigations. The basic mechanism to be considered is the theoretical model of a two-level system. A quantum dot itself represents this kind of system quite nicely, provided that only the presence or absence of a single exciton in the ground state of that structure is regarded. This concept can also be expanded to the presence of two excitons (bi-exciton). Transitions between the relevant levels can be induced by optical stimulation. When integrating quantum dots in diode like structures measurements of this phenomena can be accomplished regarding photo currents. This means of detection is highly sensitive and allows for tuning of the energy levels with respect to the energy of an exciting laser utilizing the Stark effect (via an external electric field). The photo current then shows narrow resonances representing those transitions. By this, the system can be used as a highly sensitive nano-spectrometer. The examination of coherent interactions between quantum dots and an electromagnetic field uses laser pulses that are much shorter than the dephasing time of the system (2 ps). The basic study to be done on two level systems is the measurement of Rabi oscillations allowing for the selection of an arbitrary superposition of states. In this work, the existing setup was improved regarding the possibility to control the temperature of the sample. Up to now, only investigations at 4,2 K have been possible. Even at 70 K Rabi oscillations could be shown. Moreover, the influence of temperature on other properties of the system could be investigated. Resonances show noticeable broadening which results in decreased lifetime of the levels participated. In the same way it was shown that the temperature can influence the main channel of recombination of the predominate level. Varying the external voltage at the sample even at 4,2 K can set the exciton to decay radiatively (bias voltage smaller than 0,4 V) or through tunneling processes—and thus measureable through photo currents—due to an increased bending of bands (more than 0,4 V). This border can be changed for the benefit of the tunneling processes by thermal activation at higher temperatures. Investigations on quantum interference were another major part of the work. They are of special interest when it comes to quantum computing. For this, the sample is irradiated with two delayed laser pulses. The first pulse defines then a possible superposition of both possible states and gives the system a phase information. The following second pulse will sample this information with high sensitivity with respect to possible variations of the the quantum dot energy. The latter one may be influenced via the Stark effect. This procedure results in so called Ramsey interferences. Their periodicity shrinks with decreasing pulse delay. This gap was widened to nearly 1 ns for both exciton and biexciton. For the first time, Ramsey interferences of the biexciton were studied as well. This state consists of two single excitons and is excited with a resonant and coherent two-photon process. It was shown that the resolution of these interferences is increased by a factor of two with respect to the exciton case as expected. The coherent two-pulse experiments offer many possibilities: frequency stabilisation of quantum dots below the homogenous linewidth, a voltage controlled preparation of states and the implementation of C-not-gates with weakly coupled qubits.

Deutsch

Spätestens, seitdem Schlagworte wie „Quantencomputer“ oder „Quantenkryptographie“ auch in der allgemeinen öffentlichen Diskussion angekommen sind, rücken Quantenpunkte im Hinblick auf ihre potentiellen Anwendungen in festkörperbasierter Quanten-Informationsverarbeitung und ihrem Nutzen für die Grundlagenforschung in den Fokus des allgemeinen Interesses. Quantenpunkte werden in diesem Zusammenhang auch oft als „künstliche Atome“ bezeichnet. Dies fasst ihre Eigenschaften in vielen Bereichen sehr anschaulich zusammen und unterstreicht darüber hinaus ihr großes Potential für zukünftige Entwicklungen. Als Grundlage zahlreicher Experimente dient dabei das theoretische Modell eines Zwei-Niveau-Systems, das durch einen einzelnen Quantenpunkt sehr gut repräsentiert werden kann, wenn man die An- bzw. Abwesenheit eines einzelnen Exzitons im Grundzustand einer solchen Struktur betrachtet. Erweiterung findet dieses Konzept auch, wenn man nicht nur ein einziges Exziton in diesem System betrachtet, sondern gleich deren zwei (Biexziton). Übergänge zwischen den betrachteten Niveaus können durch optische Anregung induziert werden. Durch die Integration der Quantenpunkte in eine Diodenstruktur kann die Detektion elektrisch über Messung des Photostromes erfolgen. Dieser Detektionsmechanismus ist hochempfindlich und erlaubt es, die Energieniveaus des Quantenpunktes aufgrund des Stark-Effekts mittels der Variation einer extern angelegten Spannung sehr präzise gegenüber einer festen Laserenergie zu verstimmen. Die Übergänge erscheinen dann im Photostrom als extrem schmale Resonanzen. Das System lässt sich auf dieses Weise als extrem sensibles Nano-Spektrometer einsetzen. Zur Untersuchung kohärenter Wechselwirkungen zwischen Quantenpunkt und Lichtfeld erfolgt die Anregung mit Laserpulsen, die im Vergleich zur Dephasierungszeit (2 ps) deutlich kürzer sind. Die Beobachtung von Rabi-Oszillationen, mit denen jeder beliebige Überlagerungszustand der beiden Niveaus gezielt eingestellt werden kann, gilt dabei als grundlegende Beobachtung an Zwei-Niveau-Systemen. In dieser Arbeit wurde der vorhandene Messaufbau um die Möglichkeit ergänzt, die Temperatur der Probe gezielt variieren zu können, bis zu diesem Zeitpunkt war nur die Messung bei 4,2 K möglich. Es konnten Rabi-Oszillationen bis zu Temperaturen von 70 K nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, welchen Einfluss die Temperatur auf weitere Eigenschaften des Systems hat. So kommt es zu einer deutlichen Verbreiterung der beobachteten Resonanzen, und damit einhergehend zu einer Verkürzung der Lebensdauer der damit verbundenen Zustände. Ebenso konnte gezeigt werden, dass es mit Hilfe der Temperatur möglich ist, den vorherrschenden Rekombinationskanal des betrachteten Zustandes zu beeinflussen. Über die an der Probe angelegte Spannung lässt sich schon im Falle der Messung bei 4,2 K wählen, ob das Exziton eher strahlend zerfällt (Rückwärts-Spannung kleiner 0,4 V) oder ob im Falle einer stärkeren Verbiegung der Bänder (mehr als 0,4 V Spannung) eher Tunnelprozesse und damit im Photostrom messbare Prozesse bevorzugt werden. Durch eine Variation der Temperatur und damit einhergehender thermischer Aktivierung lässt sich diese Grenze nun deutlich zu Gunsten der Tunnelprozesse verschieben. Ein weiterer wichtiger Teil der Untersuchungen fanden im Rahmen von Quanten-Interferenzexperimenten statt, die gerade im Hinblick auf Quantum-Computing von Bedeutung sind. Dabei wird die Probe mit zwei zeitlich versetzten Laserpulsen angeregt. Der erste Puls definiert eine Überlagerung der beiden möglichen Zustände des Systems und prägt dem System seine Phaseninformation auf. Der zweite Puls fragt diese Information dann anschaulich gesehen ab und reagiert dabei äußerst sensitiv auf eine Verstimmung der Quantenpunktenergie, die über den Stark-Effekt beeinflusst werden. Auf diese Weise entstehen so genannte Ramsey-Interferenzen, deren Periode mit zunehmendem Pulsabstand immer schmaler wird. Dieser Abstand konnte in dieser Arbeit sowohl für das Exziton wie auch für das Biexziton bis auf nahezu 1 ns vergrößert werden. Ebenso wurden erstmals Ramsey-Interferenzen am Biexziton untersucht. Dieser gebundene Zustand aus zwei einzelnen Exzitonen wird mit einem resonanten und kohärenten Zwei-Photonen-Prozess erzeugt. Es konnte gezeigt werden, dass die Auflösung dieser Interferenzen im Hinblick auf die Verstimmung des Systems nochmals um den theoretisch erwarteten Faktor 2 gegenüber dem Exziton-Fall gesteigert werden kann. Die kohärenten Zwei-Puls-Experimente eröffnen zahlreiche Möglichkeiten: die Frequenz-Stabilisierung von Quantenpunkten unterhalb ihrer homogenen Linienbreite, eine spannungsgesteuerte Zustandspräparation und nicht zuletzt die Realisierung von C-Not-Gates mit schwach gekoppelten Qubits.