Deutsch

Die kohärente Zustandsmanipulation eines einzelnen Quantensystems ist eine fundamentale Bedingung für die Herstellung von Geräten zur Quanteninformationsverarbeitung. In den letzten Jahren wurden dafür viele verschiedene Qubit Implementierungen vorgeschlagen und deren grundlegende kohärente Kontrolle konnte demonstriert werden. In Bezug auf die Wechselwirkung mit Photonen ist das Exziton-Qubit von besonderem Interesse für Anwendungen im Bereich der kohärenten Optoelektronik. Bisher wurde die kohärente Kontrolle dieses Qubit Systems im Wesentlichen mit ultraschnellen Laserpulsen realisiert. Insbesondere Einzel-Quantenpunkt Photodioden wurden dabei für eine Reihe kohärenter Experimente verwendet, zum Beispiel zur Untersuchung von Rabi-Oszillationen und Ramsey-Fringes, sowie der Demonstration einer CROT Quantengatter Funktionalität.

In dieser Arbeit wird ein neues Schema zur kohärenten optoelektronischen Manipulation eines Exziton-Qubits entwickelt. Dieses Schema verwendet einen optisches Takt und ein dazu synchrones, elektrisches Signal, das die kohärente Manipulation steuert. Die experimentelle Realisierung kombiniert dabei moderne Pikosekunden-Lasertechniken mit synchroner elektrischer Operation im kohärenten Regime. Die Experimente werden an einem einzelnen Exziton in einem InGaAs-Quantenpunkt in einer GaAs-Photodiode durchgeführt.

Zur Bestätigung der experimentellen Daten wurde ein detailliertes theoretisches Modell entwickelt. Diese Modell basiert auf den optischen Blochgleichungen und beinhaltet einen 2-Stufen Relaxationsmechanismus, der charakteristisch ist für den Tunnelprozess des Exzitons aus einem Quantenpunkt in einer Photodiode. Zur Überprüfung des Modells wurden die Simulationsergebnisse mit den Daten von früher entwickelten Experimenten verglichen. Das vorgestellte Modell erlaubt dabei eine tiefergehende Analyse der früheren Ergebnisse als es bisher möglich war. Desweiteren wird im Rahmen des Modells die leistungsabhängige Dämpfung der Rabi-Oszillationen bei tiefen Temperaturen untersucht.

In dieser Arbeit werden außerdem noch CdSe/ZnSe Quantenpunktphotodioden eingeführt. Dieses Materialsystem besitzt ein höheres Einschlusspotenzial für das Exziton und größere Coulombkorrelationsenergien als das InGaAs/GaAs System und ist daher ein Kandidat für kohärente Manipulationen bei erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse der spannungsabhängigen Photolumineszenz deuten an, dass es möglich ist CdSe/ZnSe Photodioden herzustellen mit denen weitere kohärente Experimente durchgeführt werden können.

English

The coherent state manipulation of single quantum systems is a fundamental requirement for the implementation of quantum information devices. In the past, many different qubit implementations have been proposed, and basic coherent control has been demonstrated. Concerning the interaction with photons, exciton qubits are of particular interest for coherent optoelectronic applications. Until now, coherent manipulations of exciton qubits in semiconductor quantum dots have been performed mostly by ultrafast laser pulses. In particular, single quantum dot photodiodes have been used for a variety of coherent experiments, for example Rabi-oscillations, Ramsey fringes, and CROT quantum gate operation.

In this work, a new scheme for the coherent optoelectronic manipulation of an exciton qubits is developed. The scheme employs an optical clock signal and a synchronous electric gate signal, which controls the coherent manipulation. The experimental realization combines state of the art picosecond laser techniques with synchronous electric operation in the coherent regime. The experiments are performed using a single exciton, confined in a InGaAs QD in a GaAs photodiode.

To verify the experimental data, a detailed theoretical model is developed. The model is based on the optical Bloch equations and includes a two-step relaxation mechanism, which is characteristic for the tunneling of the quantum dot exciton in a photodiode. To confirm the model, results from previously developed experiments are compared to the model. Thereby, the model allows a more detailed analysis of the previous results. In particular, the evaluation of the heavy-hole tunneling time from the cw saturation spectroscopy is now more reliable. Furthermore, detailed analysis of the excitation dependent damping of the Rabi-oscillations at low temperature is given in the context of the theoretical model.

In this thesis, also CdSe/ZnSe QD photodiodes are introduced. This material system provides higher confinement and Coulomb correlation energies than the InGaAs/GaAs system and therefore is a candidate for coherent operation at elevated temperatures. The results of the voltage dependent photoluminescence measurements indicate, that it is possible to provide working CdSe/ZnSe QD photodiodes for future coherent photocurrent experiments.