Measuring coherence properties of exciton-polaritons with homodyne detection

Abstract

Für die Quantentechnologie sind hybride Systeme gefragt, die verschiedene physikalische Systeme verbinden, z.B. ein Materiesystem zur Informationsverarbeitung und Licht zur Kommunikation. Für die Verbindung zwischen Halbleitern und Licht erforscht die Halbleiter-Quantenoptik, wie Licht den Quantenzustand des Halbleiters beeinflusst und wie der Zustand des Halbleiters über das emittierte Licht gemessen werden kann. Zur Messung des Quantenzustands von Licht wird in der Quantenoptik die vielseitige Methode der optischen Homodyn-Tomographie (OHT) verwendet. Ihre Anwendung auf die Emission von Halbleitern wird jedoch häufig durch das Fehlen einer festen Phasenreferenz für nicht-resonante Lumineszenz und durch die schnellen Zeitskalen des Systems verhindert. Diese Herausforderungen werden in dieser Arbeit angegangen. Wir stellen die Anwendung von OHT auf Halbleiterlumineszenz ohne feste Phasenreferenz vor, um die Kohärenz-Eigenschaften und den Quantenzustand zu untersuchen. Dabei ermöglichen ein gepulster Lokaloszillator und schnelle Detektoren eine hohe Zeitauflösung. Als Testumgebung für die Methode untersuchen wir die Emission eines Exziton-Polariton-Kondensats in einer GaAs-Mikrokavität. Konkret zeigt diese Arbeit, welche Informationen durch die Verwendung von einem, zwei und drei Homodyn-Detektionskanälen gewonnen werden können. Mit einem Kanal wird die Photonenkorrelationsfunktion zweiter Ordnung g(2)(0) gemessen, mit zwei Kanälen messen wir die phasengemittelte Husimi-Funktion und quantifizieren den Grad der Quantenkohärenz im Polaritonensystem, und mit drei Kanälen rekonstruieren wir die regularisierte P-Funktion abhängig von postselektierten Anfangsbedingungen und verfolgen den zeitlichen Zerfall der Quantenkohärenz.

For quantum technology, hybrid systems are needed to connect different physical systems, e.g. a matter system for information processing and light for communication. For connecting semiconductors and light, semiconductor quantum optics investigates how light influences the quantum state of the semiconductor and how the state of the semiconductor can be measured via the emitted light. To measure the quantum state of light, optical homodyne tomography (OHT) is a versatile technique that is widely applied in quantum optics. But its application to semiconductor emission is often prevented by the lack of a fixed phase reference for nonresonant luminescence and by the fast time scales of the system. These challenges are tackled in this work. We present the application of OHT to semiconductor luminescence without a fixed phase reference in order to investigate coherence properties and the quantum state. Thereby, a pulsed local oscillator and fast detectors enable a high time resolution. As a testbed for the method, we investigate the emission from an exciton-polariton condensate in a GaAs microcavity. Specifically, this work shows which information can be gained by using one, two and three homodyne detection channels. With one channel, the second-order photon correlation function g(2)(0) is measured. Via two channels, we measure the phase-averaged Husimi function and quantify the amount of quantum coherence in the polariton system. With three channels, we reconstruct the regularized P function, depending on postselected initial conditions, and track the temporal decay of quantum coherence.