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Xueyong Yuan

• The discovery and application of the laws of quantum mechanics has led in the past century to the “first quantum revolution”, characterized by the development of electronic devices and systems of increasing complexity that have profoundly affected our society. There is consensus that we are now approaching the threshold of a second quantum revolution, in which still unexploited resources of quantum mechanics, such as quantum entanglement, will be used to build up quantum computers and secure quantum communication systems. Photons, the quanta of light, shall play a major role in this context, as they are the only realistic quantum information carriers for connecting separate quantum systems and for transmitting quantum information. In addition, degrees of freedom of photons can be used for quantum simulation and computation tasks. Among different systems, semiconductor quantum dots (also dubbed “artificial atoms”) have emerged as one of the most promising quantum-light sources becauseThe discovery and application of the laws of quantum mechanics has led in the past century to the “first quantum revolution”, characterized by the development of electronic devices and systems of increasing complexity that have profoundly affected our society. There is consensus that we are now approaching the threshold of a second quantum revolution, in which still unexploited resources of quantum mechanics, such as quantum entanglement, will be used to build up quantum computers and secure quantum communication systems. Photons, the quanta of light, shall play a major role in this context, as they are the only realistic quantum information carriers for connecting separate quantum systems and for transmitting quantum information. In addition, degrees of freedom of photons can be used for quantum simulation and computation tasks. Among different systems, semiconductor quantum dots (also dubbed “artificial atoms”) have emerged as one of the most promising quantum-light sources because of their capability of emitting single and entangled photons “on demand” and at high rates. Several issues with these sources have been solved, while other challenges are still open. Arguably, the major one is that the electronic structure and optical spectra of different quantum dots are affected by fluctuations stemming from stochastic processes occurring during quantum dot growth. This limited control leads to a spread in emission wavelength (hindering the use of multiple quantum dots in quantum networks and quantum photonic circuits), the poor coupling to optical modes in predefined photonic circuits, the poor performance as sources of entangled photons, and to inefficiencies due to noise sources in the solid-state environment of a quantum dot. In this thesis, we focus on the use of strain fields induced in the quantum dot after fabrication, as a tool to control specific quantum dot properties, and, conversely, we use the high strain-sensitivity of the quantum dot optical properties to detect local strain fields in mechanical resonators. Firstly, we develop novel micro-machined piezoelectric actuators featuring geometrical strain amplification to continuously tune the emission wavelength of single quantum dots in an unprecedented tuning range of about ~100 meV, corresponding to ~50.000 times the natural emission linewidth, and to reshape the optical selection rules in the studied quantum dots. Together with calculation results, our findings show a promising route to obtain quantum-light sources with ideally oriented dipoles and enhanced oscillator strength for integrated quantum photonics. Then we use the developed actuators to drive mechanical oscillations in suspended membranes. Mechanical resonances are detected by monitoring the light emission from the embedded quantum dots and their frequency tuned by applying continuously variable tensile stress through the same platform. Lastly, the propagation of sound waves in the suspended beams is studied. With quantum dots acting as optical strain sensors, the propagation and attenuation properties of Lamb waves are studied.…
• Die Entwicklung der Quantentheorie im letzten Jahrhundert führte zu einer rasanten Entwicklung von immer komplexer werdenden elektronischen Geräten. Dieser technologische Sprung, der unsere Gesellschaft nachhaltig verändert hat, wird häufig als die „erste Quantenrevolution“ bezeichnet. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass wir uns derzeit kurz vor einem Durchbruch zu einer zweiten Quantenrevolution befinden, in der die bisher noch ungenutzten Ressourcen der Quantenmechanik, wie z. B. Verschränkung zum Bau von Quantencomputern oder Quantenkommunikationssystemen, nutzbar gemacht werden sollen. Photonische Quantenzuständen bzw. Lichtquanten werden aufgrund ihrer Eigenschaften bei der Übertragung von Quantenzuständen für Kommunikationssysteme die wichtigste Rolle spielen. Des weiteren, können diese Lichtquanten auch für den Aufbau von Quantencomputern und in weiterer folge auch für komplexe Simulationen quantenmechanischer Systeme genutzt werden. Unter den vielen verschiedenenDie Entwicklung der Quantentheorie im letzten Jahrhundert führte zu einer rasanten Entwicklung von immer komplexer werdenden elektronischen Geräten. Dieser technologische Sprung, der unsere Gesellschaft nachhaltig verändert hat, wird häufig als die „erste Quantenrevolution“ bezeichnet. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass wir uns derzeit kurz vor einem Durchbruch zu einer zweiten Quantenrevolution befinden, in der die bisher noch ungenutzten Ressourcen der Quantenmechanik, wie z. B. Verschränkung zum Bau von Quantencomputern oder Quantenkommunikationssystemen, nutzbar gemacht werden sollen. Photonische Quantenzuständen bzw. Lichtquanten werden aufgrund ihrer Eigenschaften bei der Übertragung von Quantenzuständen für Kommunikationssysteme die wichtigste Rolle spielen. Des weiteren, können diese Lichtquanten auch für den Aufbau von Quantencomputern und in weiterer folge auch für komplexe Simulationen quantenmechanischer Systeme genutzt werden. Unter den vielen verschiedenen verfügbaren Quellen von Photonen haben sich Halbleiterquantenpunkte (auch unter dem Begriff „künstliche Atome“ bekannt) als eines der vielversprechendsten Systeme etabliert, da sie auf „Knopfdruck“ ein einzelnes Photon bzw. ein einzelnes Paar verschränkter Photonen mit hoher Effizienz erzeugen können. Ein Nachteil von Quantenpunkten ist jedoch, dass sie aufgrund von statistischen Fluktuationen während der Fabrikation Unterschiede in ihren optischen und elektronischen Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist dadurch die Emissionswellenlänge verschiedener Quantenpunkte statistisch verteilt, was die Nutzung mehrere Quantenpunkte für den Aufbau photonischer Netzwerke schwierig macht. Weitere Nachteile von Quantenpunkten, die sich durch die Fabrikation ergeben sind: Die Schwierigkeit die erzeugten Photonen mit anderen optischen Systemen zu koppeln, sie haben keine gute Performance in der Erzeugung verschränkter Zuständen und sind ineffizient durch verschiedenen Störungen im umgebenden Festkörper. In dieser Arbeit werden wir spezifische Eigenschaften der Quantenpunkte nach ihrer Fabrikation, durch extern induzierten Dehnungen im Halbleitermaterial verändern. Des Weiteren werden wir die dadurch induzierte Änderung der optischen Eigenschaften im Quantenpunkt dazu verwenden um lokale Dehnungsfelder in einem mechanischen Resonator zu detektieren. Als Erstes haben wir einen neuartigen piezoelektrischen Aktuator entwickelt, der uns eine kontinuierliche Änderung in der Emissionswellenlänge des Quantenpunktes über einen Bereich von ca. 100 meV erlaubt, was ca. 50.000 mal der natürlichen Linienbreite der Quantenpunktemission entspricht. Zusätzlich erlaubt es uns dieser Aktuator die optischen Auswahlregeln der Quantenpunkte zu verändern. Unsere Experimentellen sowie theoretischen Ergebnisse zeigen Möglichkeiten auf Quantenpunkte in ihren optischen Eigenschaften so zu verändern, dass sie in integrierten optischen Schaltungen, als Quelle quantenmechanischer Photonische Zustände eingesetzt werden können. In weiteren Experimenten haben wir unseren Aktuator dazu verwendet mechanische Oszillationen in einer frei stehenden Membran zu induzieren. Eine Messung der Lichtemission der in der Membran befindlichen Quantenpunkte erlaubt es uns die mechanischen Resonanzen des Systems zu bestimmen. Zusätzlich konnten wir die Ausbreitung von Schallwellen in den Membranen studieren. Die Verwendung von Quantenpunkten als Sensor für mechanische Spannungen erlaubt es uns außerdem das Dämpfungsverhalten von Lamb-Wellen studieren.…