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.

Quantum dots embedded within nanowires represent one of the most promising technologies for applications in quantum photonics. Whereas the top-down fabrication of such structures remains a technological challenge, their bottom-up fabrication through self-assembly is a potentially more powerful strategy. However, present approaches often yield quantum dots with large optical linewidths, making reproducibility of their physical properties difficult. We present a versatile quantum-dot-in-nanowire system that reproducibly self-assembles in core-shell GaAs/AlGaAs nanowires. The quantum dots form at the apex of a GaAs/AlGaAs interface, are highly stable, and can be positioned with nanometre precision relative to the nanowire centre. Unusually, their emission is blue-shifted relative to the lowest energy continuum states of the GaAs core. Large-scale electronic structure calculations show that the origin of the optical transitions lies in quantum confinement due to Al-rich barriers. By emitting in the red and self-assembling on silicon substrates, these quantum dots could therefore become building blocks for solid-state lighting devices and third-generation solar cells.

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.