2025S704161 Seminar mit Bachelorarbeit

Themenauswahl aus dem Forschungsgebiet Photonik

Betreuung: Stefan Frick (SF), Vikas Remesh (VR), Robert Keil (RK), Josef Hlousek (JH)

Die Themen können entweder nur auf der Basis von Fachliteratur oder (nicht alle davon) mit eigener experimenteller bzw. computerunterstützter Komponente bearbeitet werden. Für letztere Variante empfehlen wir das Spezielles Fortgeschrittenenpraktikum B: Optik (704461/704804) zusätzlich zu belegen, entsprechend drei Wochen Vollzeit Arbeit im Labor. Ansonsten kann der Zeitaufwand für die experimentelle Arbeit kaum bewältigt werden. Wir empfehlen, das Laborpraktikum, bzw. die Bachelorarbeit nach Absprache mit dem Betreuer bereits in den Semesterferien zu beginnen. Durchgestrichene Themen sind bereits vergeben.

VR1. Ramsey spectroscopy of a quantum dot to study dark states (experimental)

Semiconductor quantum dots (QD) are arguably the most promising platform for generating high-quality single photons and entangled photon states. Together with well-established optical techniques of coherent control, the internal quantum states of QD can also be manipulated using external magnetic fields. Depending on the field direction, one can study the Zeeman splitting of the excitonic quantum states or access the so-called dark states which are usually inaccessible with light. Dark states are of great interest to certain quantum information protocols [1]. A deeper understanding of the coupling of the QD to the magnetic field, which depends on the so-called Landé g-factors, is therefore essential.

In this work, the student will perform experiments together with a PhD student in the Photonics laboratory to extract the Landé g-factor of a nanowire QD in a magnetic field in the Faraday configuration (in the direction of the quantum dot growth, defined as the z-direction). This is done by generating a Ramsey sequence [1] consisting of two time-delayed optical pulses, which coherently excite the quantum dot system. Collecting the quantum dot emission then resulting in the desired g-factor [2]. The results will be compared with previously recorded values from other known techniques [3].

[1] Ramsay, A. J., A review of the coherent optical control of the exciton and spin states of semiconductor quantum dots, Semicond. Sci. Technol. 25, 103001 (2010) 10.1088/0268-1242/25/10/103001

[2] Lee, J. P. and Bennett, A. J. and Skiba-Szymanska, J. et al., Ramsey interference in a multilevel quantum system, Phys. Rev. B 93, 085407 (2016) 10.1103/PhysRevB.93.085407

[3] Huber, D. and Lehner, B. U. and Csontosová, D. et al. Single-particle-picture breakdown in laterally weakly confining GaAs quantum dots, Phys. Rev. B 100, 235425 (2019) 10.1103/PhysRevB.100.235425

RK/JH2. Nonlinearity of single-photon detectors (experimental)

Single-photon avalanche diodes (SPADs) and superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) are two state-of-art technologies for the detection of single photons and are widely used across many labs and the photonics industry. For precision measurements, such as interferometry or quantum state characterisation, it is often required to quantitatively compare the rates of detected photons at different configurations of an experiment. Such measurements are biased by the nonlinearity of the detector, however, i.e. the detected rate being not directly proportional to the incoming photon flux. In order to calibrate for this effect it is crucial to measure the nonlinearity for both types of single-photon detectors. This can be done by the incoherent-beam superposition method [1, 2].

In this thesis work, you will learn about the characterisation of detector nonlinearity in general and then focus on either of the two detector types. You will employ the beam superposition method to measure the nonliearity of detectors at the Photonics lab in various regimes and analyse the data to establish calibration curves. If time permits, your work could be complemented by numerical simulations to model the underlying detector physics.

[1] Hlousek et al., Appl. Phys. Rev. 10, 011412 (2023), 10.1063/5.0106987 

[2] Mark et al., APL Quantum 1, 046109 (2024), 10.1063/5.0231297

SF1 Simulation von sicheren Schlüsselraten in der satellitengestützten Quantenkryptographie

Die Quantenkryptographie [1,2] ist heutzutage eine der meist ausgereiften Anwendungen der Quantenmechanik. Über einen Quantenkanal werden einzelne mit Quanteninformation beschriebene Lichtteilchen zwischen zwei Parteien ausgetauscht. Aufgrund des No-Cloning-Theorem kann dabei jede Interaktion der Lichtteilchen mit einer dritten Partei entdeckt werden und somit ist die Sicherheit des so ausgetauschten Schlüssels garantiert.

Allerdings verringert sich die mögliche Länge des ausgetauschten Schlüssels mit der Effizienz des Austausches der Lichtteilchen. Verringert sich die Effizienz unter eine kritische Grenze ergibt sich kein verwendbarer Schlüssel mehr. Diese ist Grenze ist bei konventionellen Fasernetzwerken nach ca. 100 km erreicht. Satellitengestützte Quantenkryptographie [3] verspricht dieses Problem zu lösen.

In dieser Bachelorarbeit soll die voraussichtliche Schlüssellänge pro Jahr berechnet werden, welche zu erwarten ist beim Austausch eines Quantenschlüssel zwischen einer optischen Bodenstation an der Station Hafelekar der Nordkettenbahnen und dem kanadischen Quantensatelliten QEYSSat. Dazu sollen numerische Simulationen verwendet werden welche ähnlich zu [4] den Satellitenorbit, Wetterdaten, geometrische optische Verluste und Atmosphärenmodelle in Betracht ziehen.

Zur Durchführung dieser Bachelorarbeit sind gute Programmierkenntnisse nötig.

  • [1] Gisin, N., Ribordy, G., Tittel, W., & Zbinden, H. (2002). Quantum cryptography. Reviews of Modern Physics, 74(1), 145–195. 10.1103/RevModPhys.74.145

  • [2] Pirandola, S., Andersen, U. L., Banchi, L., Berta, M., Bunandar, D., Colbeck, R., Englund, D., Gehring, T., Lupo, C., Ottaviani, C., Pereira, J. L., Razavi, M., Shamsul Shaari, J., Tomamichel, M., Usenko, V. C., Vallone, G., Villoresi, P., & Wallden, P. (2020). Advances in quantum cryptography. Advances in Optics and Photonics, 12(4), 1012. 10.1364/AOP.361502

  • [3] Sidhu, J. S., Joshi, S. K., Gündoğan, M., Brougham, T., Lowndes, D., Mazzarella, L., Krutzik, M., Mohapatra, S., Dequal, D., Vallone, G., Villoresi, P., Ling, A., Jennewein, T., Mohageg, M., Rarity, J. G., Fuentes, I., Pirandola, S., & Oi, D. K. L. (2021). Advances in space quantum communications. IET Quantum Communication, 2(4), 182–217. 10.1049/qtc2.12015

  • [4] Ntanos, A., Lyras, N. K., Anwar, S., Alia, O., Zavitsanos, D., Giannoulis, G., Panagopoulos, A. D., Kanellos, G., & Avramopoulos, H. (2022). Large - Scale LEO Satellite Constellation to Ground QKD links: Feasibility Analysis. 2022 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications, ICSOS 2022, 288–295. 10.1109/ICSOS53063.2022.9749743

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