title: Quantum cryptography with quantum dot single-photon sources
Creators: name: Vyvlečka, Michal
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Quantenpunkt-basierte Einzelphotonenquellen sind von sehr hohem Interesse für Anwendungen im der Bereich Quanteninformation, da sie in der Lage sind einzelne Photonen auf Bedarf zu emittieren. Besonders in der Quantenkryoptographie ist diese Eigenschaft von großer Bedeutung, da dort die Sicherheit jedes einzelnen kryptographischen Primitivs direkt mit den nicht-klassischen Eigenschaften der Photonen verbunden ist. Eine hohe Helligkeit der Quellenist dabei eine wesent-liche Voraussetzung für sehr schnelle Quantenkommunikation, während eine niedrige Wahrscheinlichkeit für Multiphotonen minimalen Informationsverlust an potentielle Abhörer sicherstellt. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Untersuchung von Quantenpunkten als Einzelphotonenquellen für Quantenkryptographie und das zukünftige Quanteninternet. Wir simulieren die Dynamik eines Quantenpunkts innerhalb eines optischen Resonators unter drei grundlegenden optischen Pumpmechanismen: resonante Anregung, LA Phononen-assistierte Anregung und Zwei-Photonen Anregung. Wir bestimmen den optimalen optischen Pumpprozess für die wichtigsten quantenkryptographischen Primitive und prüfen ihre Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Poissonverteilten Quellen, wie etwa abgeschwächte Laser oder Systeme basierend auf parametrischer Fluoreszenz. Des Weiteren demonstrieren wir, dass Quantenpunkte durch die Einstellbarkeit der Kohärenz in den emittierten Fockzuständen zusätzliche zusätzliche Sicherheitsvorteile bieten. Wir führen eine experimentelle Untersuchung der nicht-trivialen Abhängigkeit von Helligkeit und Reinheit vom spektralen Abstand sowie der Energie des Pumppulses durch. Die hier untersuchten C-Band Einzelphotonen wurden durch LA-Phononenassistierter Anregung von In(Ga)As Quantenpunkten erzeugt. Dieses Schema zeigt eine niedrige Sensitivität gegenüber umfeldbedingten Fluktuationen, wie Leistung, Polarisation und Wellenlänge der Anregung, und ermöglicht eine hocheffiziente spektrale Filterung des restlichen Pumppulses von den emittierten Einzelphotonen. Die emittierten Photonen zeigen eine niedrige Wahrscheinlichkeit für Multiphotonenevents, hohe Helligkeit und keine Kohärenz in den Fockzuständen. Deshalb ist LA Phononen-assistierte Anregung vielversprechend für Implementierungen von Quantenpunkten in Quantennetzwerken unter Praxisbedingungen. Wir definieren die optimalen optischen Anregungsbedingungen für Quantenpunkte unter LA-Anregung, um die maximale sichere Schlüsselübertragungsrate für Quantenschlüsselaustausch mit Einzelphotonen zu erreichen, und zeigen, wie die optimalen Arbeitsbedingungen von den resultierenden Verlusten im Netzwerk abhängen. Diese Arbeit fasst ebenso die Ergebnisse einer Implementierung des BBM92 Protokolls für Quantenschlüsselaustausch über eine 350m lange, unterirdisch verlegte Glasfaser zusammen, wobei verschränkte Photonenpaare verwendet werden, welche von GaAs Quantenpunkten, hergestellt durch Tröpfchenepitaxie, unter Zwei-Photonen Anregung emittiert werden. Dabei demonstrieren wir die Möglichkeit, Quantenpunkte für verschränkungsbasierte Protokolle zu verwenden, und machen einen wichtigen, ersten Schritt für die Integration von Quantenpunkten in zukünftige Quantenrepeaterschemata basierend auf Verschränkungsaustausch. Wir unterstreichen die Notwendigkeit an die Anwendung angepasster Anregungsschemata bei der Verwendung von Halbleiterquantenpunkten. Diese richten sich vornehmlich nach deren Helligkeit, Einzelphotonenreinheit und Kohärenz in der Fockbasis. Wir stellen einen wichtigen Leitfaden für die Optimierung von Quantenpunkten bereit, um deren Potential als Einzelphotonenquellen für Quantenkryptographieprotokolle zu maximieren.
description: Quantum dot-based single-photon sources are highly appealing for various quantum information applications due to their ability to emit single photons on demand. This capability is especially valuable in quantum cryptography, where the security of each cryptographic primitive is directly related to the non-classical properties of photons. High source brightness is essential for achieving high-speed quantum communication, while a low multiphoton contribution is crucial for minimizing information leakage to potential eavesdroppers. This work focuses on the investigation of quantum dots as single-photon sources for quantum cryptography and the future quantum internet. We simulate intra-cavity quantum dot dynamics under three main optical pumping schemes: resonant excitation, LA phonon-assisted excitation, and two-photon excitation. We identify the optimal optical pumping schemes for the main quantum cryptographic primitives and benchmark their performance against Poisson-distributed sources, such as attenuated lasers and down-conversion sources. Additionally, we demonstrate that quantum dots offer extra security benefits due to the tunability of coherence in the emitted photon-number states. We also experimentally investigate the non-trivial dependence of brightness and purity of C-band single-photons with spectral detuning and pump pulse energy, for In(Ga)As quantum dots under LA phonon-assisted excitation. This scheme shows low sensitivity to environmental fluctuations, such as excitation power, polarization, and wavelength fluctuations, and allows for highly efficient spectral filtering of residual pump pulses from the emitted single photons. The emitted photons exhibit low multiphoton contribution, high brightness, and zero photon number coherence. Thus, LA phonon-assisted excitation is promising for implementing quantum dots in real-life quantum networks. We define the optimal pumping conditions for LA-pumped quantum dots to achieve the highest secure key rate in single-photon quantum key distribution and show how the optimal operation conditions depend on the total losses of the network. This work also summarizes the results of implementing the BBM92 quantum key distribution protocol over a 350-meter-long deployed optical fiber, using entangled photon pairs emitted by GaAs quantum dots obtained by droplet epitaxy under two-photon excitation. Here, we demonstrate the feasibility of quantum dots for entanglement-based protocols and make an important first step in integrating quantum dots into future entanglement-sharing-based quantum repeater schemes. We emphasize the importance of selecting an appropriate quantum dot excitation scheme based on its brightness, single-photon purity, and photon-number coherence, recognizing that the optimal excitation scheme may vary between specific applications. We provide a crucial roadmap for optimizing quantum dots to maximize their potential as single-photon sources for quantum cryptography protocols.