The fast dephasing of electron spins in an ensemble of quantum dots is detrimental for applications in quantum information processing. We show here that dephasing can be overcome by using a periodic train of light pulses to synchronize the phases of the precessing spins, and we demonstrate this effect in an ensemble of singly charged (In,Ga)As/GaAs quantum dots. This mode locking leads to constructive interference of contributions to Faraday rotation and presents potential applications based on robust quantum coherence within an ensemble of dots.

Solid-state systems which mimic two-level atoms are being actively developed. Improving the quantum coherence of these systems, for instance spin qubits or single photon emitters using semiconductor quantum dots, involves dealing with noise. The sources of noise are inherent to the semiconductor and are complex. Charge noise results in a fluctuating electric field, spin noise in a fluctuating magnetic field at the location of the qubit, and both can lead to dephasing and decoherence of optical and spin states. We investigate noise in an ultra-pure semiconductor using a minimally-invasive, ultra-sensitive, local probe: resonance fluorescence from a single quantum dot. We distinguish between charge noise and spin noise via a crucial difference in their optical signatures. Noise spectra for both electric and magnetic fields are derived. The noise spectrum of the charge noise can be fully described by the fluctuations in an ensemble of localized charge defects in the semiconductor. We demonstrate the "semiconductor vacuum" for the optical transition at frequencies above 50 kHz: by operating the device at high enough frequencies, we demonstrate transform-limited quantum dot optical linewidths.

A semiconductor quantum dot mimics a two-level atom. Performance as a single photon source is limited by decoherence and dephasing of the optical transition. Even with high quality material at low temperature, the optical linewidths are a factor of two larger than the transform-limit. A major contributor to the inhomogeneous linewdith is the nuclear spin noise. We show here that the nuclear spin noise depends on optical excitation, increasing (decreasing) with increasing resonant laser power for the neutral (charged) exciton. Based on this observation, we discover regimes where we demonstrate transform-limited linewidths on both neutral and charged excitons even when the measurement is performed very slowly.

The interference of the incident light reflected from the surface of a medium and from a picosecond strain pulse propagating through it results in temporal oscillations of the reflected intensity. This phenomenon, called time-domain Brillouin scattering, enables us to gain information about the optical field inside the medium. The oscillation amplitude decreases with increase of the distance from the strain pulse to the surface if the incident light is strongly absorbed, while it remains constant if the medium is transparent. Here we exploit time domain Brillouin scattering to probe the optical field inside a multiple quantum well layer for light strongly coupling to excitons and forming polaritons. At low excitation density, we observe conventional Brillouin oscillations whose amplitude is small when the strain pulse is positioned far from the surface due to the strong absorption of polaritons in the vicinity of the exciton resonance. At elevated optical density, the absorption disappears, the medium becomes transparent, and the amplitude of the oscillations does not depend on the distance of the strain pulse from the surface. We explain this effect of polariton-induced transparency by the increase of the incoherent exciton density generated as result of polariton scattering. Finally, the increase of the exciton density leads to transition of the exciton gas to a collective state, resulting in collapse of the polariton state and propagation of the incident light in the medium without absorption.