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Phonon-assisted driving of quantum dot single-photon sources and its applications in quantum cryptography
Lennart Louis Jehle
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Philip Walther
DOI
10.25365/thesis.81608
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-14484.20810.125790-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich Quantenpunkte (QP) zu einer unverzichtbaren Quelle von Quantenlicht entwickelt, die in einer Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Quanteninformation eingesetzt werden, und sich zugleich als vielversprechende Plattform zur Umsetzung grundlegender Experimente in der Quantenoptik etabliert haben. Die Integration dieser künstlichen Atome in eine Festkörperumgebung ermöglicht eine außergewöhnliche Kontrolle ihrer Emissionseigenschaften. Die gleichzeitig hohe Einzelphotonenreinheit und Effizienz machen QP für eine Reihe von Quantentechnologien, darunter optisches Quantencomputing und quantengesicherte Kommunikation, äußerst attraktiv. Die Fragestellung dieser Dissertation ist zweigeteilter Natur. Auf fundamentaler Ebene untersucht sie die Dynamik der Licht-Materie-Wechselwirkungen durch Laserimpulse angeregter QP. Hierbei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf dem Einfluss von longitudinalen akustischen Phononen, da die Kopplung des QP an seine umgebende Festkörperumgebung es erlaubt, diesen mittels eines nicht resonanten Laserpulses unter Emission eines Phonons in den optisch aktiven Zustand zu überführen. Die umfassende Analyse dieser Anregungsmethode zeigt, wie die Photonenzahlstatistik der Emission durch Leistung und Wellenlänge des Lasers moduliert wird. Darüber hinaus zeigen wir, dass bei der phononunterstützten Anregung die Emissionswellenlänge dynamisch und proportional zur instantanen Intensität des treibenden Laserfeldes verschoben wird; ein Effekt, der auch als AC-Stark-Verschiebung bekannt ist. Dabei zeigen wir erstmals, dass das Zwei-Photonen-Spektrum, das durch Reanregung entsteht, asymmetrisch ist, und stellen eine Technik vor, die diese Asymmetrie nutzt, um trotz Reanregung eine hohe Einzelphotonenreinheit wiederherzustellen. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Anwendung der oben genannten Erkenntnisse für die Einzelphotonen-Quantenkryptografie. Hier bietet die phononenassistierte Anregung erhebliche Vorteile: eine intrinsisch zufällig verteilte Phasenbeziehung der erzeugten Lichtzustände, eine einfach umzusetzende Laserunterdrückung und eine robuste Implementierung. In dieser Arbeit verwenden wir QP, die direkt im Telekommunikations-C-Band emittieren, wodurch minimale Übertragungsverluste und die Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur gewährleistet werden. Während abgeschwächte kohärente Zustände (WCS) vollständig durch ihre mittlere Photonenzahl charakterisiert sind, weisen Festkörper-Einzelphotonenquellen eine komplexere Beziehung zwischen Effizienz und Reinheit auf, wie unsere erste Studie gezeigt hat. Interessanterweise stellen wir fest, dass es kein globales Optimum gibt, sondern die idealen Anregungsparameter vom jeweiligen kryptografischen Protokoll und dessen Sicherheitsgarantien abhängen. In der letzten Arbeit werden die Erkenntnisse aus diesen grundlegenden Untersuchungen angewendet, um ein verlusttolerantes Quantenbit-Commitment (QBC) mithilfe der C-Band-Photonen unseres QPs experimentell zu demonstrieren. Da bisher unklar ist, wie die bei WCS üblicherweise verwendete Decoy-State-Methode an kryptographische Primitive angepasst werden kann, bei denen Sender und Empfänger einander misstrauen (wie der Fall bei unserem QBC), ist die hohe Einzelphotonenreinheit, die QPs bieten, für diese Klasse von Protokollen besonders vorteilhaft, und QP übertreffen WCS in allen realistischen Szenarien. Wir verwenden das QBC als wichtigen Baustein in einem neuen kryptografischen Primitiv, welches wir als Limited-Knowledge-Proof bezeichnen, und beweisen dessen informationstheoretische Sicherheit unter der Annahme eines Quantenspeichers begrenzter Größe (Bounded-Storage-Modell). Das Protokoll wird über eine Glasfaserverbindung zwischen zwei Universitätsgebäuden und mithilfe aktiv polarisationscodierter BB84-Zustände implementiert. Der Polarisationsdrift der Glasfaserverbindung wird durch eine automatisierte Routine kompensiert, wodurch eine durchschnittliche Quantenbitfehlerrate von weniger als 0,5 % erreicht wird.
Abstract
(Englisch)
In the past two decades, quantum dots (QDs) have become essential sources of quantum light for a wide range of applications in quantum information and a promising platform for fundamental experiments in quantum optics. The integration of these artificial atoms into a solid-state environment offers exceptional control over their emission properties, and their simultaneously high single-photon purity and efficiency make QDs highly appealing for quantum technologies, including optical quantum computing and quantum-secured communication. The scope of the thesis is twofold. At the fundamental level, it studies the dynamics of light–matter interactions that emerge when QD s are probed by laser pulses, placing a special focus on the influence of phonons; specifically, on longitudinal acoustic (LA) phonon-assisted driving, which leverages the QD’s coupling to its surrounding solid-state environment to off-resonantly excite the system via phonon-mediated relaxation. Exploring the method in depth, we analyze how the photon-number statistics of the emission are modulated by the laser’s power and wavelength. Furthermore, we show that the emission frequency is dynamically shifted by the instantaneous intensity of the driving laser field, an effect known as AC-Stark shift. For the first time, we demonstrate that, due to this shift, a two-photon response arising from re-excitation exhibits an asymmetric spectrum, and we present a technique exploiting the asymmetry to restore high single-photon purity even in the presence of re-excitation. The second emphasis is on applying the above findings to single-photon quantum cryptography. Here, the phonon-assisted scheme offers significant advantages, including its intrinsically phase-randomized photonic output, straightforward laser suppression, and robust implementation. Throughout this thesis, we use QD sources that directly emit in the telecom C-band, thereby ensuring minimal transmission losses and compatibility with existing communication infrastructure. While weak coherent state (WCS) are fully characterized by their mean photon number, solid-state single-photon sources may exhibit a more complex relationship between their efficiency and purity, as shown by our first study. Interestingly, we find that there is no global optimum but that the ideal excitation parameters depend on the cryptographic protocol and its required security guarantees. In the final work, the insights from the fundamental investigations are applied to experimentally realize a loss-tolerant quantum bit commitment (QBC) scheme using the C-band emission of our QD. Since it remains unclear how to adapt the decoy-state technique commonly used with WCS in QKD to primitives in which the sender and receiver mutually mistrust one another (which is the case in our QBC), the high single-photon purity provided by QDs is particularly beneficial for these mistrustful protocols, enabling QDs to outperform WCS across all realistic scenarios. We use the QBC as a key building block for a new cryptographic primitive, which we term limited-knowledge proofs, and prove its information-theoretic security in the bounded-storage model. The protocol is implemented over a deployed fiber link connecting two university buildings and using actively polarization-encoded BB84 states. The polarization drift of the link is compensated by an automated routine, achieving an average quantum bit error rate of less than 0.5 %.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenpunkt Einzelphotonenquelle Quantenkryptographie Quantencomputing Phononenunterstützte Anregung Quantenoptik Festkörper Emitter
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum dot single-photon source quantum cryptography quantum computing phonon-assisted excitation quantum optics solid-state emitter
Autor*innen
Lennart Louis Jehle 
Haupttitel (Englisch)
Phonon-assisted driving of quantum dot single-photon sources and its applications in quantum cryptography
Paralleltitel (Deutsch)
Phononenunterstützten Anregung von Quantenpunkt Einzelphotonenquellen und deren Anwendungen in der Quantenkryptographie
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
211 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Kai Müller ,
Rinaldo Trotta
AC Nummer
AC17947706
Utheses ID
80272
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |