Long-distance quantum communication requires a highly efficient interface between light and matter.This thesis describes optical Fabry-Perot microcavities based on CO 2 laser-machined mirror substrates that are ideal to couple single photons and single atoms.The surfaces of the mirrors show ultra-low roughness, which enables cavities with a finesse of up to 1.9 × 10 5 .Because of the small radii of curvature on the order of 100 ➭m achieved with this technique, deviations from the paraxial approximation become relevant, resulting in a frequency splitting of polarization eigenmodes.A theoretical model has been derived and confirmed by measured values and this understanding can be used to tailor this frequency splitting for specific applications.A prime application for these cavities is heralded entanglement generation between single atoms and telecomwavelength photons, which is proposed and analyzed in this thesis.In a theoretical study of a quantum repeater protocol based on this scheme and cavity-assisted quantum gates, remote entanglement is generated faster than without repeater nodes if the distance between the end nodes exceeds 50 km. ZusammenfassungQuantenkommunikation über lange Distanzen erfordert eine hocheffiziente Schnittstelle zwischen Licht und Materie.In der vorliegenden Arbeit werden optische Fabry-Perot-Mikroresonatoren beschrieben, deren Spiegelsubstrate mit einem CO 2 -Laser bearbeitet wurden und die ideal geignet sind, um einzelne Photonen und einzelne Atomen miteinander zu koppeln.Die Spiegeloberflächen zeichnen sich durch extrem niedrige Rauhigkeiten aus, sodass Resonatoren mit einer Finesse von bis zu 1.9 × 10 5 erreicht werden.Aufgrund der kleinen Krümmungsradien in der Größenordnung von 100 ➭m, die mit dieser Methode erreicht wurden, werden Abweichungen von der paraxialen Näherung relevant, die zu einer Frequenzufspaltung der Polarisationseigenmoden führen.Es wurde ein theoretisches Modell erstellt und mit Messungen verifiziert, das benutzt werden kann, um die Frequenzaufspaltung zu kontrollieren.Eine wichtige Anwendung für diese Resonatoren ist die angekündigte Verschränkungserzeugung zwischen Einzelatomen und Photonen bei Telekomwellenlängen, die in dieser Arbeit vorgeschlagen und untersucht wird.In einer theoretischen Analyse eines Quantenrepeaterprotokolls, das auf diesem Schema und resonatorunterstützten Quantengattern basiert, wird Verschränkung zwischen zwei Orten schneller erzeugt als ohne Repeaterstationen, wenn die Entfernung zwischen diesen 50 km übersteigt. CO 2 laser machining of glass
Long-distance quantum communication requires a highly efficient interface between light and matter.This thesis describes optical Fabry-Perot microcavities based on CO 2 laser-machined mirror substrates that are ideal to couple single photons and single atoms.The surfaces of the mirrors show ultra-low roughness, which enables cavities with a finesse of up to 1.9 × 10 5 .Because of the small radii of curvature on the order of 100 ➭m achieved with this technique, deviations from the paraxial approximation become relevant, resulting in a frequency splitting of polarization eigenmodes.A theoretical model has been derived and confirmed by measured values and this understanding can be used to tailor this frequency splitting for specific applications.A prime application for these cavities is heralded entanglement generation between single atoms and telecomwavelength photons, which is proposed and analyzed in this thesis.In a theoretical study of a quantum repeater protocol based on this scheme and cavity-assisted quantum gates, remote entanglement is generated faster than without repeater nodes if the distance between the end nodes exceeds 50 km. ZusammenfassungQuantenkommunikation über lange Distanzen erfordert eine hocheffiziente Schnittstelle zwischen Licht und Materie.In der vorliegenden Arbeit werden optische Fabry-Perot-Mikroresonatoren beschrieben, deren Spiegelsubstrate mit einem CO 2 -Laser bearbeitet wurden und die ideal geignet sind, um einzelne Photonen und einzelne Atomen miteinander zu koppeln.Die Spiegeloberflächen zeichnen sich durch extrem niedrige Rauhigkeiten aus, sodass Resonatoren mit einer Finesse von bis zu 1.9 × 10 5 erreicht werden.Aufgrund der kleinen Krümmungsradien in der Größenordnung von 100 ➭m, die mit dieser Methode erreicht wurden, werden Abweichungen von der paraxialen Näherung relevant, die zu einer Frequenzufspaltung der Polarisationseigenmoden führen.Es wurde ein theoretisches Modell erstellt und mit Messungen verifiziert, das benutzt werden kann, um die Frequenzaufspaltung zu kontrollieren.Eine wichtige Anwendung für diese Resonatoren ist die angekündigte Verschränkungserzeugung zwischen Einzelatomen und Photonen bei Telekomwellenlängen, die in dieser Arbeit vorgeschlagen und untersucht wird.In einer theoretischen Analyse eines Quantenrepeaterprotokolls, das auf diesem Schema und resonatorunterstützten Quantengattern basiert, wird Verschränkung zwischen zwei Orten schneller erzeugt als ohne Repeaterstationen, wenn die Entfernung zwischen diesen 50 km übersteigt. CO 2 laser machining of glass
A system composed of a single two-level atom interacting with the single mode of a quantized electromagnetic field is one of the most fundamental systems to study quantum optical effects.These effects become visible if one enters the regime of strong coupling, in which the exchange rate of the energy quantum between the two constituents is large compared to the decay rate of the cavity field and the atomic polarization; this thus permits a coherent exchange of the energy quantum.Here we trap a single rubidium atom at the antinode of a high-finesse optical Fabry-Perot cavity to fulfill this condition.The new apparatus that has been set up in the course of this thesis features, among others, improved detection efficiency, macroscopic length variability as well as excellent side access.Field programmable gate arrays (FPGAs) are put in place and coded to meet the high requirements in data acquisition and real-time processing on the nanosecond timescale. ZusammenfassungEin System bestehend aus einem einzelnen Zweiniveauatom, welches mit der einzelnen Mode des quantisierten elektromagnetischen Feldes wechselwirken kann, bildet eines der fundamentalsten Systeme, um quantenoptische Effekte zu untersuchen.Diese Effekte werden sichtbar, wenn man das Regime der starken Kopplung betritt, in dem der kohärente Austausch eines Energiequants zwischen den beiden Partnern groß gegenüber der Zerfallsrate des Resonatorfeldes sowie der atomaren Polarisation ist; dies ermöglicht somit einen kohärenten Austausch eines Energiequantums zwischen den beiden Partnern.Hier betreten wir diesen Bereich, indem wir ein einzelnes Rubidium-Atom an dem Schwingungsbauch eines optischen Fabry-Perot-Resonators höchster Güte fangen.Der während dieser Dissertation aufgebaute, neuartige, experimentelle Apparat besitzt, unter anderem, eine verbesserte Detektionseffizienz, eine makroskopisch veränderbare Länge der Cavity sowie einen großzügigen, optischen Seitenzugang.Außerdem werden so genannte Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) eingesetzt, um die hohen Anforderungen des Datensammelns sowie deren Verarbeitung in Echtzeit auf einer Nanosekunden-Zeitskala zu gewährleisten.Die Zeitspanne, während der das Atom stark an die Cavity gekoppelt ist, entspricht der Zeit, in der es sich exakt an einem Schwingungsbauch der Resonatormode befindet.Es ist daher notwendig, das Atom akkurat an dieser Position zu halten und seine Bewegung, d.h.seine Temperatur so gut wie möglich zu reduzieren.Wir fangen und halten die einzelnen Atome mittels einer Dipole-Falle im Inneren des Resonators.Ein schwacher, nahresonanter Laser, der Probe Laser, wird eingesetzt, um das System zu untersuchen.Dieser wird von unserem System transmittiert und enthält danach Information über die atomare Trajektorie.Wir verarbeiten diese Information und passen dementsprechend die Tiefe der Dipole-Falle an, um dieser Bewegung entgegenzuwirken.Durch diesen Regelkreis sind wir in der Lage, nicht nur die Zeitspanne, die das Atom innerhalb des Resonators verweilt, signifikant zu erhöhen, sondern darüber hinaus auch seine Temperatur abzusenken.Indem wir die Rechenleistung der FPGAs ausschöpfen, können wir diesen Regelkreis nicht nur auf die radialen Oszillationen anwenden, sondern diesen auch auf die um zwei Größenordnungen schnelleren Oszillationen des Atoms entlang der Resonatorachse ausweiten.Dies ist ein wesentlicher Schritt hin zu einer kompletten dreidimensionalen Kontrolle der atomaren Trajektorie in Echtzeit.Wir haben unseren bisherigen Detektionsaufbau, bei dem mittels Einzelphotonenzähler eine Intensitätsmessung durchgeführt wird, um eine alternative Heterodyne Detektionsmethode des transmittierten Probe-Strahles erweitert.Dies erlaubt eine vollständige Rekonstruktion des optischen Feldes.Wir verwenden diese Methode, um die Amplitude und Phase des transmittierten Probe-Strahles zu messen, während wir seine Frequenz über die Resonanzen, bekannt als Normal Moden, des gekoppelten Systems scannen.Zwischen diesen Normal Moden können wir ein neues Merkmal identifizieren; dieses ist in normalen Intensitätsmessungen kaum ersichtlich und wird lediglich von den Eigenschaften des nackten Atoms geprägt -trotz dessen starker Kopplung an die Cavity.Das Verhalten der Phase und Amplitude an dieser Position ist entgegengesetzt zu dem an einer Resonanz und kann daher als Anti-Resonanz identifiziert werden.Des Weiteren sind wir damit in der Lage, einen Phasenversatz von bis zu 140 Grad auf den transmittierten Probe Strahl aufzumodulieren -dies ist der bis dato höchste berichtete Wert eines einzelnen Emitters.Insbesondere für Quantencomputer-Experimente könnte dies sehr nützlich werden, da einzelne Emitter starke nicht-lineare Eigenschaften bereits auf der Einzelphotonen-Ebene zeigen können.Darüber hinaus bietet dieses Verfahren eine iii Möglichkeit, Information über die Eigenschaften eines einzelnen Emitters innerhalb eines komplexen Quantennetzwerkes, welches nicht zerlegt werden kann, zu erhalten -diese Möglichkeit blieb zuvor unzugänglich.Here, a single atom is placed at or near the antinode, i.e. the maximum field, of the mode of an optical resonator.The resonator supports a resonant mode of the electromagnetic field, causing a standing wave pattern to form, which locally enhances strength of the electric field.Described differently, the single photon sees a few thousand mirror images of the single atom, like in a chamber of mirrors.Thus, the interaction between the single atom and the mode itself is enhanced in such a way that interactions on the single-atom, single-photon level become 1.2. Cooling an Atom via FeedbackThe experimental realizations mentioned above necessitate an isolation of the system from its environment; this ensures that the quantum coherence is maintained over relevant timescales.For a long time this requirement posed an insurmountable challenge.The first pioneering work tackling this challenge consisted in trapping and cooling of ions in 1980-1981 [32], [33].While this work relied on charged particles, the first cooling of neutral atoms to very low temperatures was enabled by the invention of laser cooling [34]-[37].This also made it possible to observe atoms in a magneto-optical trap (MOT) [38]-[40] as well as in dipole traps [41], [42].Besides isolation and cooling of single atoms, the strong coupling to an electromagnetic mode also required the capability to manufacture ultrahigh reflective mirrors and combine them to tiny, high-finesse resonators.In this case the finesse can be approximated by the reciprocal value of the per-round-trip power loss multiplied by 2.In the optical domain a milestone of such a system showing the normal-mode spectrum of a beam of atoms in an optical cavity was realized in 1992 [13].However, atoms inside the atomic beam were too fast to be studied individually.A combination of the technologies of high-finesse cavities and laser cooling methods enabled to capture atoms inside the cavity and hence allowed to extend the time a single atom could interact with the cavity mode [43]-[45].The coupling depends heavily on the overlap, i.e. the position, of the atom and the mode of the intracavity field.As the transmittance of a nearresonant probe beam through the cavity is governed largely by the coupling strength, information about the spatial position of the atom, even below the standard diffraction limit [46], can be derived.Extending the time the atom spends inside the cavity also permitted to examine effects of the radiative force stemming from few-photon light fields [47], [48].Forces This work will start by giving a brief introduction into the theoretical concepts of cavity QED in Chapter 2. Afterwards, in Chapter 3, the new experimental apparatus, which has been built during this thesis, will be described.Besides improvements on the physical setup also a new electronic control system was introduced.This features field programmable gate arrays (FPGAs) as a unique way to deterministically execute real-time feedback.In Chapter 4 we will elaborate on how these chips work and how they are programmed -as achieving exceptional computational powers requires a sophisticated and complex way of coding, i.e. programming.FPGAs are put into practice to measure incoming photon clicks with a 1 ns resolution while performing fast real-time feedback as well as plotting and evaluating experimental data in realtime.The vast power of these devices also permits to integrate the full heterodyne measuring system including feedback on one chip.Chapter 4 will close by demonstrating how our improved FPGA based system actively stabilizes the length of the cavity down to 200fm.
1935 verwiesen Einstein, Podolsky und Rosen auf Widersprüche zwischen der Quantenmechanik und klassischen Theorien, die auf den Prinzipien Realismus (physikalische Eigenschaften existieren unabhängig von Beobachtung) und Lokalität (Wechselwirkung zwischen Teilchen kann sich nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten) basieren.Insbesondere die starken Korrelationen zwischen den Messresultaten verschränkter Teilchen bekräftigten ihre Folgerung, dass die Quantenmechanik unvollständig sei.Auf Grundlage dieser Analyse wurde eine Erweiterung der Quantenmechanik mit zusätzlichen Parametern, sogenannten lokal verborgenen Variablen (LHV), vorgeschlagen, um eine komplette, lokal-realistische Theorie zu erhalten.Eine Methode, um experimentell zu überprüfen, ob die Natur durch eine lokal-realistische Theorie beschrieben werden kann, ist ein Test der Bell'schen Ungleichung, der eine Grenze für Korrelationen zwischen zwei Teilchen bietet, die mit LHVs beschrieben werden.Durch die starken Hinweise der seit den 1970ern durchgeführten Experimente gegen lokal-realistische Theorien ist es wünschenswert, solche Experimente mit einer minimalen Anzahl an Annahmen durchzuführen, um Schlupflöcher zu vermeiden, die trotz der Messungen eine lokal-realistische Beschreibung zulassen.Das erste bedeutende Schlupfloch betrifft die Lokalität.Es kann vermieden werden, wenn die Messungen raumartig getrennt durchgeführt werden.Das zweite ist das Detektionsschlupfloch, das entsteht, wenn ein unzureichender Anteil an Teilchen detektiert wird und man annehmen muss, dass die detektierten Teilchen eine faire Stichprobe bilden.Bis vor kurzem konnte keiner der durchgeführten Bell Tests beide Schlupflöcher gleichzeitig schließen.Diese Dissertation präsentiert einen genauen Test der Bell'schen Ungleichung, in dem sowohl das Detektions-als auch das Lokalitätsschlupfloch geschlossen werden.Dazu werden zwei verschränkte 87 Rb Atome verwendet, die 398 m voneinander getrennt sind.Zur Verschränkung der Atome über diese Distanz wird das "entanglement swapping" Protokoll verwendet.Zuerst wird jedes Atom mit einem spontan emittierten Photon verschränkt.Projektion der Photonen auf einen verschränkten Zustand erzeugt Verschränkung zwischen den Atomen, auch über große Distanzen.Der Nachweis der Verschränkung zwischen zwei entfernten Atomen ist eine große Herausforderung.Der experimentelle Ablauf beinhaltet Zeitverzögerungen zwischen der Erzeugung der Atom-Photon Verschränkung und der Zustandsanalyse von etwa 11 µs, was eine Erhaltung des Atomzustands mit hoher Fidelity auf dieser Zeitskala erfordert.Die relevanten Zeemanzustände des Atoms sind empfindlich auf magnetische und optische Felder, die zur Dephasierung der Atomzustände führen.Wichtige Verbesserungen der Kompensation magnetischer Felder und eine Analyse der Dephasierungsmechanismen gefangener Atome ermöglichten es uns, die erforderte Stabilität zu erreichen.Die Bell'sche Ungleichung wird durch schnell durchgeführte Korrelationsmessungen an getrennten Atomen getestet, wobei die Messrichtungen von einem Quantenzufallszahlengenerator bestimmt werden.In unserem Test erhielten wir für 10000 gemessene Ereignisse eine Verletzung
Die Realisierung von Quantennetzwerken über große Distanzen erfordert effiziente Schnittstellen zwischen Photonen und stationären Quantenspeichern. Farbzentren in Diamant stellen hierfür eine vielversprechende festkörperbasierte Plattform für Spin–Photon-Schnittstellen dar, da sie spinselektive optische Übergänge, lange Speicherzeiten und eine effiziente Spinkontrolle aufweisen. Diese Eigenschaften ermöglichten die erste Demonstration eines Quantennetzwerks mit drei Knoten auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant. Eine Skalierung auf Netzwerke mit mehr als drei Knoten wurde jedoch bislang durch die begrenzte Aufsammeleffizienz kohärenter Photonen verhindert. Diese Einschränkung motiviert die kontinuierliche Weiterentwicklung effizienterer Spin–Photon-Schnittstellen, wobei sowohl die Kopplung von Spindefekten an optische Resonatoren als auch die Erforschung alternativer Farbzentren, die intrinsisch einen größeren Anteil kohärenter Photonen emittieren, von zentraler Bedeutung sind. Hier wird ein kombinierter Ansatz präsentiert, der die Integration von Zinn-Fehlstellen-Zentren mit intrinsisch vorteilhaften optischen Eigenschaften in eine faserbasierte Mikroresonator-Plattform zur effizienten Licht-Materie-Wechselwirkung realisiert. Diese Arbeit demonstriert die Integration einer vollständig durchstimmbaren faserbasierten Fabry-Pérot-Mikroresonatorplattform in einen Entmischungskryostaten. Das System kann bei extrem niedrigem mechanischem Rauschen betrieben werden und erreicht passive Stabilitäten des Spiegelabstands von unter 10 pm in offener Konfiguration sowie unter 1 pm bei mechanischem Kontakt zwischen Faser- und planarem Spiegel, jeweils bei einer Resonatortemperatur von 1 K. Dadurch lässt sich die Plattform bei hoher Finesse und entsprechend starker Licht–Materie-Wechselwirkung in einem Temperaturregime betreiben, in dem phononinduzierte Spin-Dekohärenz stark unterdrückt ist. Darüber hinaus präsentieren wir den vollständigen Prozess von kommerziell verfügbaren Diamantsubstraten bis hin zu resonatorintegrierten Diamantmembranen mit eingebetteten Zinn-Fehlstellen-Zentren. Durch sorgfältige Probenpräparation und -integration können wir den hybriden Luft-Diamant-Resonator in einem Regime betreiben, in dem die hohe Brechzahl der Diamantmembran genutzt wird, um das Feld in der Diamantregion zu konzentrieren. Dieses Regime, in dem die Licht-Materie-Wechselwirkung besonders stark ist, ist typischerweise schwer zugänglich, da Oberflächenrauigkeit an der Diamant-Luft-Grenzfläche mit hohen Streuverlusten einhergeht. Die präsentierte experimentelle Plattform wird anschließend genutzt, um Purcell-verstärkte Emission von einzelnen Zinn-Fehlstellen-Zentren in Diamant zu demonstrieren. Wir beobachten eine Purcell-induzierte Verkürzung der Lebensdauer des optisch angeregten Zustands für eine diamantkonzentrierte Resonatormode, die einer Kooperativität von bis zu C0=4.1 entspricht. Dieser Wert ist etwa doppelt so hoch wie der für eine luftkonzentrierte Mode beobachtete Wert (C0=2.2) und lässt sich auf die sorgfältige Probenpräparation sowie die damit verbundenen geringen Streuverluste zurückführen. In diesem Regime hoher Kooperativität weisen wir zudem kohärente Kopplung zwischen einem Zinn-Fehlstellen-Zentrum und dem Mikroresonator nach, die sich experimentell in einer emitterinduzierten Extinktion in der Resonatortransmission äußert und mittels eines schwachen kohärenten Feldes ausgelesen wird. Aus dieser Messung wird eine kohärente Kooperativität von C=1.4 extrahiert, entsprechend einem Extinktionskontrast von C=0.81. Schließlich wird durch Anlegen eines externen Magnetfeldes die Entartung der Spin-Unterzustände aufgehoben, sodass die resultierende Zeeman-Aufspaltung spin-selektiver optischer Übergänge in der Transmission aufgelöst werden kann. Diese Ergebnisse stellen einen entscheidenden Schritt hin zu einer mikroresonatorverstärkten Spin-Photon-Schnittstelle für Zinn-Fehlstellen-Zentren in Diamant dar, die eine zentrale Voraussetzung für quantenspeicherassistierte Quantennetzwerke über große Distanzen bildet. Im Kontrast zum Einzelemitter-Regime, das im Großteil der vorliegenden Arbeit untersucht wird, betrachten wir zusätzlich ein grundlegend anderes Regime, in dem ein Ensemble von Emittern kollektiv an einen Mikroresonator gekoppelt ist. Dieses ermöglicht die Untersuchung kollektiver Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung, die durch ein gemeinsames Strahlungsfeld vermittelt werden. Durch die Kopplung eines kleinen Ensembles von etwa 15 Stickstoff-Fehlstellen-Zentren an die optische Mode weisen wir experimentelle Signaturen kollektiver Emission und Superfluoreszenz nach. Auch wenn diese Experimente nicht direkt durch Anwendungen in Quantennetzwerken motiviert sind, verdeutlichen die Ergebnisse die breite Reichweite und Vielseitigkeit resonatorbasierter quantenoptischer Experimente mit Farbzentren in Diamant.
Die Quanteninformationstechnologie ist ein Schwerpunkt intensiver weltweiter Forschungsarbeit, da sie Lösungen für aktuelle globale Probleme verspricht. So bietet die Quantenkommunikation (QKD, engl. quantum key distribution) absolut abhörsichere Kommunikationsprotokolle und könnte, mit der Realisierung von Quantenrepeatern, auch über große Distanzen zum Einsatz kommen. Quantencomputer (engl. quantum computing) könnten von Nutzen sein, um sehr schwierige und komplexe mathematische Probleme schneller zu lösen. Ein grundlegender kritischer Baustein der gesamten halbleiterbasierten Quanteninformationsverarbeitung (QIP, engl. quantum information processing) ist die Bereitstellung von Proben, die einerseits die geforderten physikalischen Eigenschaften aufweisen und andererseits den Anforderungen der komplexen Messtechnik genügen, um die Quanteneigenschaften nachzuweisen und technologisch nutzbar machen zu können. In halbleiterbasierten Ansätzen haben sich Quantenpunkte als sehr vielversprechende Kandidaten für diese Experimente etabliert. Halbleiterquantenpunkte weisen große Ähnlichkeiten zu einzelnen Atomen auf, die sich durch diskrete Energieniveaus und diskrete Spektrallinien im Emissionsspektrum manifestieren, und zeichnen sich überdies als exzellente Emitter für einzelne und ununterscheidbare Photonen aus. Außerdem können mit Quantenpunkten zwei kritische Bausteine in der Quanteninformationstechnologie abgedeckt werden. So können stationäre Quantenbits (Qubits) in Form von Elektronenspinzuständen gespeichert werden und mittels Spin-Photon-Verschränkung weit entfernte stationäre Qubits über fliegende photonische Qubits verschränkt werden. Die Herstellung und Charakterisierung von quantenpunktbasierten Halbleiterproben, die sich durch definierte Eigenschaften für Experimente in der QIP auszeichnen, steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Die Basis für das Probenwachstum bildet dabei das Materialsystem von selbstorganisierten In(Ga)As-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten. Die Herstellung der Quantenpunktproben mittels Molekularstrahlepitaxie ermöglicht höchste kristalline Qualitäten und bietet die Möglichkeit, die Quantenemitter in photonische Resonatoren zu integrieren. Dadurch kann die Lichtauskoppeleffizienz stark erhöht und die Emission durch Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung verstärkt werden. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene In(Ga)As-Quantenpunktproben mit definierten Anforderungen mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und deren morphologische und optische Eigenschaften untersucht. Für die Charakterisierung der Morphologie kamen Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz. Die optischen Eigenschaften wurden mit Hilfe der Reflektions-, Photolumineszenz- und Resonanzfluoreszenz-Spektroskopie sowie Autokorrelationsmessungen zweiter Ordnung ermittelt. Der Experimentalteil der Arbeit ist in drei Kapitel unterteilt, deren Kerninhalte im Folgenden kurz wiedergegeben werden. Quasi-Planare Einzelphotonenquelle mit hoher Extraktionseffizienz: Planare quantenpunktbasierte Einzelphotonenquellen mit hoher Extraktionseffizienz sind für Experimente zur Spinmanipulation von herausragender Bedeutung. Elektronen- und Lochspins haben sich als gute Kandidaten erwiesen, um gezielt einzelne Elektronenspins zu initialisieren, manipulieren und zu messen. Ein einzelner Quantenpunkt muss einfach geladen sein, damit er im Voigt-Magnetfeld ein λ-System bilden kann, welches die grundlegende Konfiguration für Experimente dieser Art darstellt. Wichtig sind hier einerseits eine stabile Spinkonfiguration mit langer Kohärenzzeit und andererseits hohe Lichtauskoppeleffizienzen. Quantenpunkte in planaren Mikrokavitäten weisen größere Werte für die Spindephasierungszeit auf als Mikro- und Nanotürmchenresonatoren, dagegen ist bei planaren Proben die Lichtauskoppeleffizienz geringer. In diesem Kapitel wird eine quasi-planare quantenpunktbasierte Quelle für einzelne (g(2)(0)=0,023) und ununterscheidbare Photonen (g(2)indist (0)=0,17) mit hoher Reinheit vorgestellt. Die Quantenpunktemission weist eine sehr hohe Intensität und optische Qualität mit Halbwertsbreiten nahe der natürlichen Linienbreite auf. Die Auskoppeleffizienz wurde zu 42% für reine Einzelphotonenemission bestimmt und übersteigt damit die, für eine planare Resonatorstruktur erwartete, Extraktionseffizienz (33%) deutlich. Als Grund hierfür konnte die Kopplung der Photonenemission an Gallium-induzierte, Gauß-artige Defektstrukturen ausgemacht werden. Mithilfe morphologischer Untersuchungen und Simulationen wurde gezeigt, dass diese Defektkavitäten einerseits als Nukleationszentren für das Quantenpunktwachstum dienen und andererseits die Extraktion des emittierten Lichts der darunterliegenden Quantenpunkte durch Lichtbündelung verbessern. In weiterführenden Arbeiten konnte an dieser spezifischen Probe der fundamentale Effekt der Verschränkung von Elektronenspin und Photon nachgewiesen werden, der einen kritischen Baustein für halbleiterbasierte Quantenrepeater darstellt. Im Rahmen dieses Experiments war es möglich, die komplette Tomographie eines verschränkten Spin-Photon-Paares an einer halbleiterbasierten Spin-Photon Schnittstelle zu messen. Überdies konnte Zweiphotoneninterferenz und Ununterscheidbarkeit von Photonen aus zwei räumlich getrennten Quantenpunkten auf diesem Wafer gemessen werden, was ebenfalls einen kritischen Baustein für Quantenrepeater darstellt. Gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System: Weitere Herausforderungen für optisch kontrollierte halbleiterbasierte Spin-Qubit-Systeme sind das schnelle und zerstörungsfreie Auslesen der Spin-Information sowie die Implementierung eines skalierbaren Ein-Qubit- und Zwei-Qubit-Gatters. Ein kürzlich veröffentlichtes theoretisches Konzept könnte hierzu einen eleganten Weg eröffnen: Hierbei wird die spinabhängige Austauschwechselwirkung zwischen einem Elektron-Spin in einem Quantenpunkt und einem Exziton-Polariton-Gas, welches in einem nahegelegenen Quantenfilm eingebettet ist, ausgenützt. So könnte die Spin-Information zerstörungsfrei ausgelesen werden und eine skalierbare Wechselwirkung zwischen zwei Qubits über größere Distanzen ermöglicht werden, da sich die Wellenfunktion von Exziton-Polaritonen, abhängig von der Güte des Mikroresonators, über mehrere μm ausdehnen kann. Dies und weitere mögliche Anwendungen machen das gekoppelte Quantenfilm-Quantenpunkt System sehr interessant, weshalb eine grundlegende experimentelle Untersuchung dieses Systems wünschenswert ist. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Yoshihisa Yamamoto an der Universität Stanford, wurde hierzu ein konkretes Probendesign entwickelt und im Rahmen dieser Arbeit technologisch verwirklicht. Durch systematische epitaktische Optimierung ist es gelungen, ein gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System erfolgreich in einen Mikroresonator zu implementierten. Das Exziton-Polariton-Gas konnte mittels eines Quantenfilms in starker Kopplung in einer Mikrokavität mit einer Rabi-Aufspaltung von VR=2,5 meV verwirklicht werden. Zudem konnten einfach geladene Quantenpunkte mit hoher optischer Qualität und klarem Einzelphotonencharakter (g(2)(0)=0,24) in unmittelbarer Nähe zum Quantenfilm gemessen werden. Positionierte Quantenpunkte: Für die Herstellung quantenpunktbasierter Einzelphotonenquellen mit hoher optischer Qualität ist eine skalierbare technologische Produktionsplattform wünschenswert. Dazu müssen einzelne Quantenpunkte positionierbar und somit deterministisch und skalierbar in Bauteile integriert werden können. Basierend auf zweidimensionalen, regelmäßig angeordneten und dadurch adressierbaren Quantenpunkten gibt es zudem ein Konzept, um ein skalierbares, optisch kontrolliertes Zwei-Qubit-Gatter zu realisieren. Das hier verfolgte Prinzip für die Positionierung von Quantenpunkten beruht auf der Verwendung von vorstrukturierten Substraten mit geätzten Nanolöchern, welche als Nukleationszentren für das Quantenpunktwachstum dienen. Durch eine optimierte Schichtstruktur und eine erhöhte Lichtauskopplung unter Verwendung eines dielektrischen Spiegels konnte erstmals Resonanzfluoreszenz an einem positionierten Quantenpunkt gemessen werden. In einem weiteren Optimierungsansatz konnte außerdem Emission von positionierten InGaAs Quantenpunkten auf GaAs Substrat bei 1,3 μm Telekommunikationswellenlänge erreicht werden.
A leading strategy for the creation of a scalable quantum computer is through a networked architecture. This would comprise stationary nodes for quantum information processing and photonic channels for their communication and entanglement distribution. In this scheme a coherent interface between light and matter is a critical component, facilitating the deterministic and reversible transfer of quantum information between stationary and travelling qubits. This requirement may be fulfilled by a high finesse optical cavity, whose radiation field is strongly coupled to a trapped quantised emitter. Neutral atoms are an ideal species for the development of such a device, given their inherent compatibility with dielectric mirror surfaces. However, an outstanding challenge in building an elementary network of neutral atom-cavity systems is in establishing a single atom dipole trap within each cavity mode. This thesis presents the development of an open-access cavity suitable for single atom localisation, whilst maintaining strong atom-cavity coupling, {g0,κ,γ} = {11,2.1,3} × 2πMHz, and the efficient extraction of generated photons, η=0.5. We consider cavity design methodology, deriving a connection between the physical properties of the optical resonator and its intended role in the production of single photons. An experimental platform is developed for the creation of cavity mirrors by laser ablation, with a high degree of geometrical control. This is used to produce a set of pyramidal micro-mirrors, demonstrated to represent a favourable alternative to the widespread adoption of fibre-tip cavities. These pyramidal mirrors are shown to support multi-feature resonators, allowing several atom-cavity interfaces to be formed using a pair of substrates. By developing a novel procedure for mirror alignment, a hybrid mirror cavity is fabricated and integrated into an experimental architecture tailored for atomic trapping. Suitability of the cavity for future experimentation is demonstrated by frequency stabilisation to an atomic resonance of 87Rb.