Promotionsvortrag von Yannik Brune

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Kohärenzeigenschaften klassischer Lichtfelder zu untersuchen, um ihre Eignung für quanteninformationstechnische Aufgaben zu bewerten und Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Lichtquelle zu ziehen. Zu diesem Zweck nutzen und erweitern wir verschiedene Techniken der optischen homodynen Tomographie unter Einsatz von Vierport-, Achtport- und Sechzehnportdetektor Setups. Um zunächst die Rolle der Kohärenz eines Lichtfeldes bei der Lösung eines quantuminformationstechnischen Problems wie der Manipulation von Qubits zu verstehen, beginnen wir die Analysen, indem wir den Qubitanregungsprozess aus einer quantenresourcentheoretischen Perspektive betrachten. Hierzu simulieren wir die Licht-Materie-Wechselwirkungen und zeigen, dass die Quantenkohärenz des treibenden Lichtfeldes die Schlüsselkomponente für die Preparation kohärenter Superpositionszustände ist. Gleichzeitig zeigen wir, wie thermische Fluktuationen oder Dephasierung die Quantenkohärenz des Lichtfeldes signifikant reduzieren. Nachdem wir die Kohärenzeigenschaften zunächst an konventionellen Lasern studiert haben, wechseln wir nun zu unkonventionellen kohärenten Lichtquellen und untersuchen die Emission eines nichtresonant angeregten Exziton-Polariton-Kondensates. Indem wir langlebige Polaritonen verwenden und zusätzlich die Wechselwirkungen mit dem inkohärenten Reservoir minimieren, erreichen wir die Ausbildung kohärenter Quantensuperpositionen innerhalb des Kondensats direkt oberhalb der Kondensationsschwelle. Zuletzt fokussieren wir uns vollständig auf die Lichtquelle und untersuchen die Kohärenzeigenschaften des emittierten Lichtfeldes, um dessen Dynamiken zu bestimmen. Zu diesem Zweck führen wir einen Sechzehnportdetektor ein, welcher es uns erlaubt, nichtstationäre und konditionale Analysen durchzuführen, angepasst an die Anforderungen der Halbleiterspektroskopie. Anhand des Benchmarks mit einem thermischen Lichtfeldes demonstrieren wir, dass wir die stochastischen Prozesse innerhalb des Lichtfeldes mit Femtosekundengenauigkeit auflösen können. Zusammenfassend verbinden unsere Ergebnisse Quantenoptik, Quanteninformationswissenschaften und Halbleiterphysik und geben Einblicke, die relevant für Quantentechnologien und zukünftige hybride Quantengeräte sind.