Fabrication of a polarization insensitive photonic lattice for perfect state transfer experiments

One of the most promising innovations of the quantum information theory - which links quantum physics and the classical information theory - is the realization of a quantum computer, that should enable to overcome the limitations of classical computers. Like their classical counterparts, quantum computer will most likely be constituted by processors and memories that will store and elaborate data, and by some physical channels that enable the communications among the processors, the memories and other peripherals. An interesting solution for the implementation of data bus in quantum computers is the exploitation of the characteristics of spin chains to enable high-fidelity transmission of one or more quantum states from one end of the chain to the other. A number of theoretical works on the properties of spin chains and on the communication protocols available on these systems have been published in the last ten years, but the practical implementation of these studies is still difficult to achieve. For this reason, in the last few years there has been an active interest in simulating these systems with photonic devices to study experimentally their properties. This has been possible also thanks to the peculiar properties of the femtosecond laser writing technology. This technology allows to induce a permanent local modification of the refractive index of a glass substrate, thus allowing the realization of structures that can guide light radiation, from simple waveguides to more complex photonic structures. The experimental activity of this thesis is centred on the fabrication of a quantum optical analogue of a spin chain using the femtosecond laser technology. This device will constitute the main component of an experiment performed at the Quantum Photonics Lab of the Sydney University, whose aim is to study experimentally the evolution of entangled states into spin chain by means of photonic simulators.

Una delle più attese innovazioni promesse della teoria quantistica dell'informazione - la teoria nata fondendo la fisica quantistica con la teoria classica dell'informazione - è l'implementazione di un calcolatore quantistico, che abbatterebbe diversi limiti computazionali dei calcolatori disponibili attualmente. Come per i loro corrispettivi classici, i calcolatori quantistici saranno probabilmente costituiti da processori e memorie, per l'elaborazione e l'immagazzinamento dei dati, e da bus dati per permettere la comunicazione tra i processori, le memorie e le altre periferiche. Per quanto riguarda l'implementazione dei bus dati, un'interessante soluzione teorica è l'utilizzo di catene di spin adeguatamente ingegnerizzate per consentire la trasmissione fedele di uno o più stati quantistici da un capo all'altro della catena in un tempo prefissato. Sono stati condotti numerosi studi teorici negli ultimi dieci anni, ma l'implementazione di tali sistemi è ancora molto difficoltosa. Per tale ragione, al fine di studiare le proprietà di questi sistemi, negli ultimi anni si è iniziato a simularli mediante dispositivi fotonici. Ciò è stato possibile anche grazie alle particolari proprietà della tecnologia della scrittura laser a femtosecondi. Essa permette, infatti, di ottenere una modifica locale e permanente dell'indice di rifrazione di un substrato vetroso sfruttando un fascio laser a femtosecondi focalizzato, consentendo dunque la fabbricazione di strutture in grado di guidare la radiazione luminosa, da singole guide d'onda a strutture fotoniche più complesse. L'attività sperimentale di questa tesi è incentrata sulla fabbricazione a femtosecondi di un dispositivo fotonico che simuli una catena di spin. Questo dispositivo è il componente principale di un esperimento, svolto presso il Quantum Photonics Lab dell'Università di Sydney, il cui scopo è quello di studiare sperimentalmente l'evoluzione di stati entangled nelle catene di spin.