In dieser Arbeit werden supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (engl. superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs)) mit dem Ziel untersucht, das Verständnis des Einzelphotonendetektionsmechanismus zu vertiefen. Eine umfassendere Kenntnis der genauen physikalischen Abläufe im Detektionsprozess ermöglicht die gezielte Verbesserung von Parametern, die für Anwendungen relevant sind, wie beispielsweise die intrinsische Detektionseffizienz (IDE). Um neue Erkenntnisse zu erlangen, wurden Photonen- und Dunkelzählraten von mäanderförmigen SNSPDs aus den Materialien TaN und NbN bei verschiedenen Wellenlängen und Transportströmen gemessen und mit theoretischen Modellen des Detektionsmechanismus verglichen. Im ersten Teil der Arbeit wurden die Zählraten von SNSPDs mit unterschiedlichen Streifenbreiten gemessen und daraus spektrale intrinsische Detektionseffizienzen bestimmt. Diese bezeichnen die Wahrscheinlichkeit des SNSPDs einen messbaren Spannungspuls nach Absorption eines Photons auszulösen. Die IDE-Spektren zeigten eine charakteristische Grenzwellenlänge λC bis zu der Photonen mit einer etwa hundertprozentigen Wahrscheinlichkeit detektiert werden. Es wurde herausgefunden, dass die Grenzwellenlänge mit zunehmender inverser Streifenbreite linear zunahm, was quantitativ am besten durch das erweiterte Hot-Spot Modell beschrieben wurde. Um das Verständnis des Detektionsmechanismus weiter zu vertiefen, wurden im zweiten Teil der Arbeit Messungen der Photonen- und Dunkelzählraten in Abhängigkeit vom Magnetfeld mit Flussdichten bis zu 250 mT durchgeführt. Dazu wurde in einem ersten Schritt ein variabler Temperatureinsatz (Verdampferkryostat) für mobile 4He Dewargefäße aufgebaut. Mit Hilfe dieses Aufbaus konnte erstmals gezeigt werden, dass die Photonenzählrate von NbN-Mäandern eine Magnetfeldabhängigkeit aufweist. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Feldabhängigkeit der Photonen- und der Dunkelzählraten sehr gut durch das quasistatische Vortexmodell beschrieben werden kann. Somit konnte die in dem Modell aufgestellte Behauptung, dass Vortices am Photonendetektionsprozess beteiligt sind, innerhalb dieser Arbeit bestätigt werden. Weiterhin wurde aus dem Vergleich der experimentellen, magnetfeldabhängigen Photonen- und Dunkelzählraten mit dem Modell geschlussfolgert, dass Dunkelereignisse hauptsächlich aus dem Bereich der Windungen stammen, während Photonenereignisse aus den Windungen und den geraden Teilstücken des Streifens stammen können. Der Beitrag der Photonenereignisse aus den graden Teilen ist entweder bei großen Strömen oder bei großen Photonenenergien dominant.
In dieser Arbeit werden supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (engl. superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs)) mit dem Ziel untersucht, das Verständnis des Einzelphotonendetektionsmechanismus zu vertiefen. Eine umfassendere Kenntnis der genauen physikalischen Abläufe im Detektionsprozess ermöglicht die gezielte Verbesserung von Parametern, die für Anwendungen relevant sind, wie beispielsweise die intrinsische Detektionseffizienz (IDE). Um neue Erkenntnisse zu erlangen, wurden Photonen- und Dunkelzählraten von mäanderförmigen SNSPDs aus den Materialien TaN und NbN bei verschiedenen Wellenlängen und Transportströmen gemessen und mit theoretischen Modellen des Detektionsmechanismus verglichen. Im ersten Teil der Arbeit wurden die Zählraten von SNSPDs mit unterschiedlichen Streifenbreiten gemessen und daraus spektrale intrinsische Detektionseffizienzen bestimmt. Diese bezeichnen die Wahrscheinlichkeit des SNSPDs einen messbaren Spannungspuls nach Absorption eines Photons auszulösen. Die IDE-Spektren zeigten eine charakteristische Grenzwellenlänge λC bis zu der Photonen mit einer etwa hundertprozentigen Wahrscheinlichkeit detektiert werden. Es wurde herausgefunden, dass die Grenzwellenlänge mit zunehmender inverser Streifenbreite linear zunahm, was quantitativ am besten durch das erweiterte Hot-Spot Modell beschrieben wurde. Um das Verständnis des Detektionsmechanismus weiter zu vertiefen, wurden im zweiten Teil der Arbeit Messungen der Photonen- und Dunkelzählraten in Abhängigkeit vom Magnetfeld mit Flussdichten bis zu 250 mT durchgeführt. Dazu wurde in einem ersten Schritt ein variabler Temperatureinsatz (Verdampferkryostat) für mobile 4He Dewargefäße aufgebaut. Mit Hilfe dieses Aufbaus konnte erstmals gezeigt werden, dass die Photonenzählrate von NbN-Mäandern eine Magnetfeldabhängigkeit aufweist. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Feldabhängigkeit der Photonen- und der Dunkelzählraten sehr gut durch das quasistatische Vortexmodell beschrieben werden kann. Somit konnte die in dem Modell aufgestellte Behauptung, dass Vortices am Photonendetektionsprozess beteiligt sind, innerhalb dieser Arbeit bestätigt werden. Weiterhin wurde aus dem Vergleich der experimentellen, magnetfeldabhängigen Photonen- und Dunkelzählraten mit dem Modell geschlussfolgert, dass Dunkelereignisse hauptsächlich aus dem Bereich der Windungen stammen, während Photonenereignisse aus den Windungen und den geraden Teilstücken des Streifens stammen können. Der Beitrag der Photonenereignisse aus den graden Teilen ist entweder bei großen Strömen oder bei großen Photonenenergien dominant.
Quantentechnologien sind im Begriff sich von Laborversuchen zu effizienten Anwendungen zu entwickeln. Die Quantenzustände einzelner Photonen spielen dabei die Rolle als Bindeglied zwischen stationären Quantensystemen. Ein hybrider Ansatz wird verfolgt, um die Wechselwirkung gezielt zwischen im Wellenleiter geleiteten Photonen und gekoppelten Quantenemittern zu erreichen. Die Dissertation untersucht zwei zentrale Aspekte solcher hybriden photonischen Quantentechnologien: die effiziente Erzeugung von Photonen und die Optimierung von photonischen Strukturen. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Entwicklung einer optischen Mikrotechnology. Integrierte nano-photonische Wellenleiter aus Siliziumnitrid wurden für die Kopplung zu Quantenemittern entworfen, optimiert und optisch untersucht. Das finale Design wurde erfolgreich in Kopplungsexperimenten verwendet, bei denen 42 % der Fluoreszenz eines einzelnen Moleküls an einen Wellenleiter gekoppelt wurde. Der zweite Teil der Arbeit untersucht zwei Einzelphotonenquellen. Zunächst wurde ein neuartiger Einzelphotonenemitter basierend auf Defektzentren in Zinkoxid optisch bei tiefen Temperaturen untersucht. Es konnte im Zuge dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass die Photonen von nano-strukturiertem Zinkoxid sehr schmalbandige Emission aufweisen. Im letzten Teil, wird eine Einzelphotonenquelle bestehend aus einem organischen Molekül untersucht. Bei kryogenen Temperaturen wurden Lebenszeit-limitierte Linienbreiten auf den Molekülproben detektiert. Die Rabi-Oszillationen zwischen den Molekülzuständen konnten akkurat durch eine quantenmechanische Theorie beschrieben werden, wodurch die Vermessung der Dephasierung des Quantensystems durch die nanoskopische Umgebung präzise studiert werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zur Kopplung von Einzelphotonenquellen stellen die Grundlage für weitere Anwendungen durch eine photonische Quantentechnologie dar.
Die vorliegende Arbeit untersucht die Dynamik von Dephasierungsprozessen und die Ununterscheidbarkeit von Einzelphotonen in selbstorganisierten InAs-Quantenpunkten, die in eine GaAs-Matrix eingebettet sind. Diese Quantenpunkte gelten als ideales Modellsystem für die Realisierung hochwertiger Einzelphotonenquellen, die für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie wie Quantenkommunikation oder lineare optischer Quantenschaltkreise von zentraler Bedeutung sind. Allerdings können ihre optischen Eigenschaften durch Dephasierungsmechanismen wie den internen Photoeffekt und den Auger-Meitner-Effekt beeinträchtigt werden, was zu einer Verschlechterung der spektralen Reinheit, der zeitlichen Kohärenz und der Ununterscheidbarkeit der emittierten Photonen führen. Ein zentraler Fokus dieser Arbeit liegt auf der systematischen Untersuchung der Auger-Meitner-Dynamik unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds. Durch zeitaufgelöste Auger-Meitner-Spektroskopie und ein Drei-Niveau-Ratenmodell wurden die Populationsdynamiken der Spin-Zustände analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Auger-Meitner-Rate bei niedrigen bis mittleren Magnetfeldern (B ≤ 5.5T) um einen Mittelwert von 3 μs−1 schwankt, während sie bei höheren Feldern (B ≥ 5.5T) monoton abnimmt. Diese Abnahme folgt einem Potenzgesetz mit einem Exponenten von m = −4.7±0.6. Die Spin-Flip-Rate zeigt dagegen eine Potenzgesetzabhängigkeit mit m = 3.7±0.3 für B ≥ 3T, während die Spin-Flip-Raman-Rate weitgehend magnetfeldunabhängig bleibt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung der Ununterscheidbarkeit von Einzelphotonen. Hierfür wurde ein Mach-Zehnder Interferometer aufgebaut, um Autokorrelationsmessungen 1. und 2. Ordnung sowie Hong-Ou-Mandel-Interferenzmessungen durchzuführen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ununterscheidbarkeit stark von der Anregungsleistung abhängt: Bei niedrigen Leistungen liegt die Hong-Ou-Mandel-Visibilität bei etwa 80%, nimmt bei mittleren Leistungen auf etwa 40% ab und steigt bei hohen Leistungen wieder auf etwa 80% an. Diese Leistungsabhängigkeit wurde durch Monte-Carlo-Simulationen modelliert, die den Einfluss von Dephasierungsprozessen auf die Kohärenz der Photonen beschreiben. Zusätzlich wurde ein Heterodyne-Detektionsaufbau entwickelt, um die Dephasierungseffekte durch die Verbreiterung der Schwebungsfrequenz zwischen Einzelphotonen und einem frequenzverschobenen Referenzlaser zu analysieren. Diese Ergebnisse können zusammen mit weiteren Messungen wertvolle Einblicke in die Kohärenzeigenschaften von Quantenpunktphotonen bieten und liefern so Ansätze zur gezielten Verbesserung ihrer Charakteristik für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie. Diese Arbeit trägt somit zum Verständnis der Dephasierungsmechanismen in Quantenpunkten bei und zeigt Wege auf, wie durch gezielte Kontrolle externer Parameter die Qualität der emittierten Photonen optimiert werden kann. Dies ist ein entscheidender Schritt, um selbstorganisierte Quantenpunkte als hochwertige Einzelphotonenquellen für zukünftige Quantenanwendungen nutzbar zu machen.
Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel basierend auf Halbleiternanostrukturen eine effiziente und skalierbare Quelle einzelner und ununterscheidbarer Photonen zu entwickeln. Dies ist eine Basiskomponente von zukünftigen quantenphysikalischen Anwendungen wie der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputer. Diese Konzepte nutzen gezielt quantenmechanische Systeme um einerseits Kommunikation absolut abhörsicher zu machen oder um neuartige Computer zu konstruieren, die bestimmte Aufgaben - wie die Produktzerlegung großer Zahlen - effizienter lösen als heutige Systeme. Ein mögliche Realisierung der Quantenkommunikation ist beispielsweise die Schlüsselverteilung zwischen zwei Parteien durch Verwendung des BB84-Protokolls. Dazu wird eine Lichtquelle benötigt, welche die physikalisch kleinstmögliche Lichtmenge - ein einzelnes Photon - aussendet. Der Kommunikationskanal wird dann über verschiedene Polarisationszustände dieser Photonen gegen ein Abhören nach außen hin abgesichert. Da die maximale Kommunikationsdistanz aufgrund von Verlusten im Quantenkanal beschränkt ist, muss das Signal für größere Distanzen mit Hilfe eines sog. Quantenrepeaters aufbereitet werden. Ein solcher kann ebenfalls unter Verwendung von Einzelphotonenquellen realisiert werden. Das Konzept des Quantenverstärkers stellt aber die zusätzliche Anforderung an die Einzelphotonenquelle, dass die ausgesendeten Lichtteilchen in der Summe ihrer Eigenschaften wie Energie und Polarisation immer gleich und somit ununterscheidbar sein müssen. Auf Basis solcher ununterscheidbarer Photonen gibt es zudem mit dem linear optischen Quantenrechner auch mögliche theoretische Ansätze zur Realisierung eines Quantencomputers. Dabei kann über die Quanteninterferenz von ununterscheidbaren Photonen an optischen Bauteilen wie Strahlteilern ein Quanten-NOT-Gatter zur Berechnung spezieller Algorithmen realisiert werden. Als vielversprechende Kandidaten für eine solche Lichtquelle einzelner Photonen haben sich in den letzten Jahren Halbleiter-Quantenpunkte herauskristallisiert. Dank des festkörperbasierten Ansatzes können diese Strukturen in komplexe photonische Umgebungen zur Erhöhung der Photonen-Extraktionseffizienz und -Emissionsrate eingebettet werden. Ziel dieser Arbeit war somit eine effiziente Quelle einzelner ununterscheidbarer Photonen zu realisieren. Im Hinblick auf die spätere Anwendbarkeit wurde der Fokus zudem auf die skalierbare bzw. deterministische Fabrikation der Quantenpunkt-Strukturen gelegt und zwei technologische Ansätze - die kryogene in-situ-Lithographie und das positionierte Wachstum von Quantenpunkten - untersucht. Im ersten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird ein neuartiges Materialsystem vorgestellt, welches sich zur Generation einzelner Photonen eignet. Es können spektral scharfe Emissionslinien mit Linienbreiten bis knapp über 50 µeV aus Al0,48In0,52As Volumenmaterial beobachtet werden, wenn diese Schicht auf InP(111) Substraten abgeschieden wird. In Querschnitt-Rastertunnelmikroskopie-Messungen wurden ca. 16 nm große Cluster, welche eine um ungefähr 7 % höhere Indiumkonzentration im Vergleich zur nominellen Zusammensetzung des Volumenmaterials besitzen, gefunden. Über die Simulation dieser Strukturen konnten diese als Quelle der spektral scharfen Emissionslinien identifiziert werden. Zudem wurde mittels Auto- und Kreuzkorrelationsmessungen nachgewiesen, dass diese Nanocluster einzelne Photonen emittieren und verschieden geladene exzitonische und biexzitonische Ladungsträgerkomplexe binden können. Anschließend wurde der Fokus auf InGaAs-Quantenpunkte gelegt und zunächst im Rahmen einer experimentellen und theoretischen Gemeinschaftsarbeit die Kohärenzeigenschaften eines gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavität-Systems untersucht. Über temperaturabhängige Zwei-Photonen Interferenz Messungen und dem Vergleich mit einem mikroskopischen Modell des Systems konnten gezielt die Bestandteile der Quantenpunkt-Dephasierung extrahiert werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde die gepulste, strikt resonante Anregung von Quantenpunkten als experimentelle Schlüsseltechnik etabliert. Damit konnten bei tiefen Temperaturen nahezu vollständig ununterscheidbare Photonen durch eine Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von über 98 % nachgewiesen werden. Für ein skalierbares und deterministisches Quantenpunkt-Bauelement ist entweder die Kontrolle über die Position an welcher der Quantenpunkt gewachsen wird nötig, oder die Position an der eine Mikrokavität geätzt wird muss auf die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes abgestimmt werden. Im weiteren Verlauf werden Untersuchungen an beiden technologischen Ansätzen durchgeführt. Zunächst wurde der Fokus auf positionierte Quantenpunkte gelegt. Mittels in das Substrat geätzter Nanolöcher wird der Ort der Quantenpunkt-Nukleation festgelegt. Durch die geätzten Grenzflächen in Quantenpunkt-Nähe entstehen jedoch auch Defektzustände, die negativen Einfluss auf die Kohärenz der Quantenpunkt-Emission nehmen. Deshalb wurde an diesem Typus von Quantenpunkten die strikt resonante Anregung etabliert und zum ersten Mal die kohärente Kopplung des Exzitons an ein resonantes Lichtfeld demonstriert. Zudem konnte die deterministische Kontrolle der Exzitonbesetzung über den Nachweis einer Rabi-Oszillation gezeigt werden. Abschließend wird das Konzept der kryogenen in-situ-Lithographie vorgestellt. Diese erlaubt die laterale Ausrichtung der Mikrokavität an die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes. Damit konnte gezielt die Emission eines zuvor ausgewählten, spektral schmalen Quantenpunktes mit nahezu 75 % Gesamteffizienz eingesammelt werden. Die Ununterscheidbarkeit der Quantenpunkt-Photonen war dabei mit einer Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von bis zu ν=(88±3)% sehr hoch. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Einzelphotonenquelle realisiert, aus der sich sehr effizient kohärente Photonen auskoppeln lassen, was einen wichtigen Schritt hin zur deterministischen Fabrikation von Lichtquellen für quantenphysikalischen Anwendungen darstellt.
Licht wird in alltäglichen Anwendungen meist als optische Leistung gemessen, besteht jedoch grundsätzlich aus einzelnen Photonen. Diese Arbeit untersucht, wie die Photonenzählung vom Einzelphotonenbereich auf größere Photonenzahlen ausgeweitet werden kann, um so die Lücke zu klassischen optischen Leistungsmessern zu verringern. Es werden drei Ansätze entwickelt und kombiniert. Erstens wird die Quantendetektortomographie, eine Methode zur vollständigen Charakterisierung komplexer Detektoren, mithilfe effizienter Hochleistungsrechneransätze skaliert. Zweitens wird die Photonenzahlauflösung bei supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren untersucht, indem elektrische Signalkurven analysiert, ein auf Ankunftszeiten basierendes Modell entwickelt und der Einfluss von Jitter, optischer Pulsdauer und Photonenzahlzuordnung quantifiziert wird. Drittens wird die intrinsische Photonenzahlauflösung mit räumlichem und zeitlichem Multiplexing kombiniert. Das Ergebnis ist ein Detektor mit hohem Dynamikbereich, der Tausende Photonen pro Puls messen kann. Diese Arbeit zeigt, dass photonenzahlauflösende Messungen auf Bereiche ausgeweitet werden können, die bisher hauptsächlich durch klassische optische Leistungsmessungen zugänglich waren. Darüber hinaus sind diese Methoden wichtig für zukünftige photonische Quantentechnologien und Detektorsysteme mit einer steigenden Anzahl optischer Moden, die eine quantenmechanisch konsistente Beschreibung erfordern.
Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Realisierung und Untersuchung optoelektronischer Bauelemente, welche nach einem elektrischen Impuls entweder genau ein einzelnes, polarisiertes Photon oder ein verschränktes Photonenpaar emittieren. Solche Emitterstrukturen werden als Q-Bit-Quellen bezeichnet. Eines der interessantesten Anwendungsgebiete einer solchen Q-Bit-Quelle ist die Quantenkryptographie, wobei hierfür sowohl einzelne linear polarisierte Photonen als auch verschränkte Photonenpaare hervorragend geeignet sind. In Hinblick auf die Entwicklung einer praxisrelevanten Emitterstruktur wurde im Rahmen dieser Arbeit ein quantenpunktbasierter Realisierungsansatz gewählt, dessen wesentliche Elemente erfolgreich patentiert werden konnten. Die für die Umsetzung des Gesamtkonzeptes dieser Arbeit entscheidende Herausforderung bestand zunächst darin, eine geeignete Bauelementstruktur zu entwickeln, mit der ein einzelner Quantenpunkt aus einem selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktensemble elektrisch selektiert werden kann. Mit der erfolgreichen Umsetzung dieses Bauelementtyps konnte erstmals die gezielte elektrische Ansteuerung der elektronischen Zustände eines einzelnen Quantenpunktes demonstriert werden. Da die Emission der Photonen in diesem ersten Ansatz ungerichtet in den vollen Raumwinkel erfolgt, ist die Anzahl der Photonen in einem akzeptablen Abstrahlwinkel trotz einer hohen internen Quanteneffizienz von ca. 20% sehr gering. Somit konzentrierte sich das weitere Vorgehen konsequenterweise auf die Steigerung der externen Quanteneffizienz. Durch die Einbettung des, idealerweise einzelnen, elektrisch gepumpten Quantenpunktes in eine Mikrokavität, kann sowohl die Emissionsrichtung der generierten Photonen als auch der Emissionsprozess des Quantenpunktes selbst beeinflusst werden. Die hierzu entwickelte oberflächenemittierende Bauelementstruktur ähnelt dabei in ihrem prinzipiellen Aufbau einer Resonant-Cavity-LED. Bei der Herstellung kavitätsbasierter Strukturen war die Bauelementmodellierung auf Grund der Komplexität ein unverzichtbares Element des Entwicklungsprozesses. Um den Zusammenhang zwischen konkreten Bauelementeigenschaften und einem dreidimensionalen Schichtsystem mit definierten Materialkompositionen, Dotierungsprofilen, lateralen und vertikalen Strukturausdehnungen herzustellen, wurde die Methode der Eigenmoden-Expansion verwendet, um ein funktionstüchtiges Design zu entwickeln. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Design konnte technologisch erfolgreich umgesetzt werden. Die Auskoppeleffizienz dieser, auf einer Resonant-Cavity-LED basierenden, Q-Bit-Quelle lag erwartungsgemäß weit über der des ersten Bauelementansatzes (etwa um einen Faktor 20). Mit dem hergestellten Bauelement konnte erstmals eine Einzelphotonen-Pulsfolge mit einer Frequenz von über 1GHz generiert werden. Damit ist die hier entwickelte Q-Bit-Quelle die bis dato mit Abstand schnellste elektrisch gepumpte, halbleiterbauelementbasierte Einzelphotonenquelle weltweit.
In dieser Doktorarbeit wurde die Wechselwirkung zwischen Elektronen in einem getriebenen Doppelquantenpunkt und seiner Umgebung untersucht.Ein Quantenpunkt ist eine nanoskopische Struktur, in der Elektronen in allen drei Raumrichtungen lokalisiert sind, sodass sie ähnlich wie in einem Atom ein diskretes Energiespektrum aufweisen.Dieses System kann benutzt werden, um fundamentale Quanteneigenschaften wie den Elektronenspin oder Superpositionszustände im Festkörper zu untersuchen.Die hier betrachteten Quantenpunkte wurden mittels Feldeffekt elektrostatisch in einem zweidimensionalen Elektronensystem basierend auf einer GaAs/AlGaAs-Heterostruktur defininiert.Diese Methode erlaubt Kontrolle über das Einschlusspotential der Elektronen, da die Elektrostatik über Spannungen an metallischen Gattern während des Experiments beeinflusst werden kann, sowie die direkte Messung von Elektronentransport durch die Quantenpunkte.In dieser Arbeit wurde ein System von zwei zu einem Doppelquantenpunkt gekoppelten Quantenpunkten studiert.Das theoretische Konzept des quantenmechanischen Zwei-Niveau-Systems kann durch bestimmte Kombinationen der Molekülzustände im Doppelquantenpunkt in guter Näherung realisiert werden.Doppelquantenpunkte stellen daher ein mögliches System zur Implementierung von Qubits im Kontext der Quanteninformationsverarbeitung dar.Da das Zwei-Niveau-System von seiner Umgebung jedoch nicht völlig isoliert ist, spielen Wechselwirkungen für die Zeitentwicklung des Quantenzustands im Festkörper eine wichtige Rolle.Der erste Teil der Arbeit untersucht die Wechselwirkung von Zwei-Elektron-Spinzuständen in einem inhomogenen, d.h.am Ort der beiden Quantenpunkte unterschiedlichen, Magnetfeld.Dieses inhomogene Magnetfeld wurde erstmalig mit zwei eindomänigen magnetischen Gattern realisiert und mittels direkter Strommessung sowie Elektronspin-Resonanz charakterisiert.Da die Atome des GaAs-Kristalls, in dem der Doppelquantenpunkt realisiert ist, einen Kernspin aufweisen, können Elektronen in einem Quantenpunkt mit typischerweise 10 6 Kernspins über Hyperfeinwechselwirkung interagieren.Unter bestimmten Bedingungen können die Kernspins durch die Hyperfeinwechselwirkung dynamisch polarisiert werden, was im Hinblick auf die Wechselwirkung mit den Elektronen in semiklassischer Näherung als effektives Magnetfeld beschrieben werden kann.Wegen des komplexen elektronischen Spektrums der Quantenpunkte und der Vielzahl an Kernspins ergibt sich hieraus eine bislang noch nicht vollständig verstandene Dynamik, die zu verschiedenen Fixpunkten in der Polarisationsdynamik führt.Es gelang, verschiedene Fixpunkte durch Messung des effektiven Magnetfeldes mittels Elektronspin-Resonanz zu charakterisieren und mit ihrer Hilfe eine hohe Kernspin-Polarisation direkt nachzuweisen.Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem Qubit bestehend aus zwei gekoppelten Ladungszuständen, die mithilfe einer periodischen Gatterspannungsmodulation durch Landau-Zener-Übergänge in Superposition gebracht wurden.Die dadurch entstehenden Landau-Zener-Stückelberg-Majorana-Interferenzmuster wurden durch die Dekohärenz des Zwei-Niveau-Systems modifiziert.Es konnte gezeigt werden, dass die Ladungszustände in Quantenpunkten in erster Linie an Ladungsfluktationen in ihrer Nähe, sowie an das Phononenspektrum des Kristalls koppeln.Über ein theoretisches Modell, das die beiden auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen stattfindenden Wechselwirkungen berücksichtigt, konnten die Interferenzmuster im Detail analysiert und die Kohärenzzeit des individuellen Qubits und die Dephasierung des Zeitensembles getrennt bestimmt werden, ohne dass auf eine experimentell kompliziertere Echomessung zurückgegriffen werden musste.Darüber hinausgehend wurde der Einfluss von komplexeren Antrieben auf das Interferenzmuster am Beispiel von bichromatischen Antrieben mit unterschiedlichen Frequenzverhältnissen und Phasenbeziehungen untersucht.Die Symmetrieeigenschaften der unterschiedlichen Interferenzmuster konnten auf die des jeweils zugrunde liegenden Antriebs zurückgeführt werden.