Quantum frequency conversion of indistinguishable photons from independent solid state emitters

Abstract

Indistinguishable single photons are an indispensable resource for various quantum technological applications. In order to exploit the lowest possible losses in fiber-based long-haul networks, these photons are required to be at telecom wavelengths around 1.55 µm. Available sources of indistinguishable telecom photons, however, are premature as of yet. The present thesis attends to this need using efficient quantum frequency conversion (QFC, device efficiency > 30 %) to transduce single photons as emitted by InAs semiconductor quantum dots (QD) from 904 nm to 1557 nm. The indistinguishability is assessed with quantum interference experiments after Hong-Ou-Mandel in two major settings: first, with photons consecutively emitted by the same QD, and second, with photons stemming from two independent sources. All indistinguishabilities observed prior and subsequent to the QFC are in the order of 30-50 % and consistently explained using available emitter and device parameters. To that end we derive and use a theoretical model, which predicts indistinguishabilities assuming homogeneously and inhomogeneously broadened emission lines as typically encountered for solid state single photon sources. Based on our results, we conclude that QFC conserves photon indistinguishabilities and that the present scheme provides an efficient tool to aid the realization of quantum networks.

Ununterscheidbare einzelne Photonen sind eine unverzichtbare Ressource für diverse quantentechnologische Anwendungen. Um Verluste in faserbasierten Langstreckennetzwerken zu minimieren, müssen diese Photonen außerdem Wellenlängen im Telekommunikationsbereich um 1.55 µm aufweisen. Verfügbare Quellen ununterscheidbarer Telekomphotonen sind jedoch bisher wenig ausgereift. Die vorliegende Arbeit widmet sich diesem Mangel mit Hilfe effi zienter Quanten-Frequenzkonversion (QFC, Geräteeffizienz > 30 %), um einzelne Photonen, die von InAs Halbleiterquantenpunkten (QD) emittiert wurden, von 904 nm nach 1557 nm zu konvertieren. Die Ununterscheidbarkeit wird mit Hilfe von Quanteninterferenzexperimenten nach Hong-Ou-Mandel in zwei verschiedenen Szenarien bewertet: mit konsekutiv emittierten Photonen aus einem QD und mit Photonen aus zwei unabhängigen Quellen. Alle Ununterscheidbarkeiten, die vor und nach der Konversion beobachtet wurden, liegen im Bereich 30-50 % und werden konsistent mit Hilfe verfügbarer Emitter- und Geräteparameter erklärt. Zu diesem Zweck entwickeln und benutzen wir ein theoretisches Modell, welches Ununterscheidbarkeiten anhand homogen und inhomogen verbreiterter Emissionslinien, wie sie oft bei festkörperbasierten Einzelphotonenquellen angetroffen werden, vorhersagt. Aufgrund unserer Ergebnisse schließen wir, dass QFC die Ununterscheidbarkeit von Photonen erhält und das präsentierte Schema ein überzeugendes Hilfsmittel zur Realisierung von Quantennetzwerken darstellt.